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青藏高原中部羌塘地体可可西里地区的地幔结构、动力学过程及其浅部响应
2022-03-17 09:56:30 来源:中科院青藏所 作者: 【 】 浏览:561次 评论:0

  青藏高原的形成是冈瓦纳大陆与欧亚大陆长期相互作用的结果,是昆仑、松潘-甘孜、羌塘、拉萨和喜马拉雅等地体相继增生拼合的产物(图1)。相较于其他地体,羌塘地体可可西里地区是青藏高原由南部较湿热环境向北部荒漠环境变迁的纽带,在结构构造和物质成分等多方面具有独特属性。一方面,这里平均海拔5000米,周缘高山、内部平坦,其深部可能正在发生印度与亚洲两大板块汇聚相交;另一方面,古老岩石圈拆沉后发生部分熔融,地幔浅部呈现显著的Sn波高衰减、各向异性强烈、岩石圈减薄、新生代超钾质火山岩发育,是青藏高原海相盆地油气工业和稀有矿产资源最具前景的地区。然而,由于恶劣的自然环境和辽阔的地域范围,以往研究较缺少对羌塘地体的地球物理高精度观测。

  针对这一难题,中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升及影响团队白玲研究员与合作者利用410-660km深度间断面附近产生的地震波三重震相,研究了羌塘地体地幔过渡带速度结构。三重震相的走时和振幅对射线路径中间部位地震波转折点和反射点所在位置的结构变化较敏感,具有研究区域不受地震和台站分布局限的优点。该研究采用改进的迭代网格搜索方法,拟合缅甸山弧俯冲带地区中深源地震和塔里木盆地下地壳地震(中国地震台网记录)的三重震相波形。

  图1 研究区构造特征

  沙滩球表示使用的地震震源机制解,黑色三角形表示中国地震台网地震台站,红色、绿色实心点是三重震相的转折点和反射点在地球表面的投影,灰线是三重震相的射线路径,红色虚线表示Sn波高衰减区,较大的橙色圆点表示超钾质火山岩所在的位置,黑线是地体边界,红色实线是印度板块和欧亚板块的分界线,黑色箭头标记了图3横截面的位置。

  研究结果显示(图2),羌塘地体地幔过渡带顶部存在一个厚度约36 kmP波速度降-2.0%的低速层,地幔过渡带底部存在厚度约155 kmP波速度增加1.2%的高速异常。同时,410 km间断面下降了约12 km660 km间断面下降了约30 km,地幔过渡带厚度显著增加。结合既有观测结果,研究人员推测,地幔过渡带顶部的低速层为含水熔体和高温异常共同作用的结果,地幔过渡带底部的高速异常为水和低温异常共同作用的结果。

  

  图2 三重震相波形拟合结果

  左图为实际观测(黑线)和理论计算(红线)的三重震相波形;右图为波形拟合获得的最佳速度结构(绿色实线)。

  该研究进一步细化了与岩石圈拆沉或俯冲有关的动力学过程(图3):冷的印度大陆板块或者古大洋板块岩石圈俯冲或拆沉至地幔过渡带,遇到660km间断面的阻挡,在地幔过渡带底部堆积,形成了地幔过渡带内部观测的高速异常;俯冲或拆沉的岩石圈物质扰动含水的地幔过渡带物质上涌至上地幔,在地幔过渡带顶部形成高温的部分熔融低速层;该低速层可能进一步上涌,为浅部Sn波发生高衰减和新生代超钾质火山岩的形成提供热的岩浆源。该地幔物质循环模式为准确理解大陆俯冲过程和圈层相互作用提供理论依据,为高原资源开发、灾害减轻、环境保护和经济社会可持续发展提供数据支撑。

  图3 青藏高原NE-SW向测线(图1箭头所在位置)的深部动力学过程模型图

  其中L422, C420, T420, D421, KO430, KI430, ZJ430ZW430代表前人获得的410km间断面深度;L690, C675, T675, D680, KO680, KI680, ZJ680ZW680代表前人获得的660km间断面深度。其中L: this study, C: Chen & Tseng, 2007, T: Tseng & Chen, 2008, D: Duan et al., 2017, KO: Kosarev et al., 1999, KI: Kind et al., 2002, ZJ: Zhao et al., 2010, and ZW: Zhao et al., 2011.

  上述研究成果以“Velocity anomalies around the mantle transition zone beneath the Qiangtang terrane, central Tibetan plateau from triplicated P waveforms”为题发表在《Earth and Space Science》期刊。中国地震局地震预测研究所李国辉副研究员为第一和通讯作者,我所白玲研究员为共同通讯作者。这种低速层可能由于古板块俯冲在青藏高原及周边地区大陆地幔过渡带顶部普遍存在,并对浅部构造演化产生了重要影响,相关研究“A partial molten low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Junggar: implication for the formation of subduction-induced sub-slab mantle plume”为题在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》发表。上述研究获得第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK07)、基金委青藏高原地球系统基础科学中心项目(41988101)、中国科学院王宽诚率先人才计划卢嘉锡国际团队(GJTD-2019-04)等项目的联合资助。

  论文信息1:Guohui Li, Ling Bai, Heng Zhang, Qiang Xu, Yuanze Zhou, Yuan Gao, Mujiangshan Wang, Zihao Li. (2022). Velocity anomalies around the mantle transition zone beneath the Qiangtang terrane, central Tibetan plateau from triplicated P waveforms. Earth and Space Science, 9, e2021EA002060.

  原文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021EA002060   


  论文信息2:Guohui Li, Yuanze Zhou, Lin Ding, Yuan Gao, Ling Bai, Heng Zhang, Le Hu, Zhengyang Pan, Changhui Ju, Dingding Zhang. (2022). A partial molten low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Junggar: implication for the formation of subduction-induced sub-slab mantle plume. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 23, e2021GC010150.

  原文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021GC010150


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