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【前沿論壇】Romanowicz:地震波形層析成像揭示:地幔柱起源于核幔邊界
2019-09-06 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【關閉

报告人:Barbara Romanowicz | 整理:宮暢、王旭(岩石圈室)  

摘 要:地幔对流模式一直是地球科学领域最重要的科学问题之一。地幔对流存在与否或具体模式如何,是认识板块运动驱动力、地球内部物质循环等地球动力学过程的关键。Romanowicz教授及其团队一直致力于利用地震学层析成像方法构建全地幔速度模型。其最新构建的SEMUCB-WM1模型显示,活跃热点下方存在较宽的且呈近垂直展布的柱状低速异常,该异常可从约1000 km深度处一直延伸至核幔边界处,它们的底部通常存在巨大的部分熔融的剪切波超低速异常区(ULVZs)。

  1.引言 

  大家上午好,今天我報告的題目是“Mantle plumes rooted at the core-mantle boundary: evidence from seismic waveform tomography”。地震層析成像方法已發展三十余年,它所獲取的地球深部速度模型爲我們認識地球動力學過程提供了重要依據。首先,我們來看早期的上地幔地震層析模型(圖1M84C),它显示了100 km深度处的全球剪切波速度结构,红色表示该区域剪切波速度低于全球平均值,而蓝色则表示该区域剪切波速度高于全球平均值。这种高速、低速异常通常被认为代表了比平均温度高或者低的温度异常。值得注意的是,在这个深度处有一些结构强烈反映了板块构造。比如,沿大洋中脊表现为明显热异常,古老的克拉通下方则表现为冷的特征。该模型也明显刻画出了太平洋板块的冷热规律性变化特征。这些特征在一定程度上均能很好地支持存在板块运动。在这里,我向大家展示哈佛大学一研究小组近期新获取的层析成像结果(圖1,S362ANI)。我们可以看到早期的速度模型与新近的速度模型主体上是一致的,但很明显后者呈现出的结构较前者更为精细。 

1  M84C模型(上)和S362ANI模型(下)在100 km深度的剪切波速度切片

  为了提高对地幔结构成像的分辨率,在过去的三十年里我们团队一直致力于地震层析成像方法与地球深部结构的研究工作。在前人的研究基础上,我们对地幔内部的大尺度速度结构已经有了清楚的认识。接下来,我们将通过不同深度的速度切片来认识地幔速度结构变化(圖2)。第一个是100 km深度处的速度结构,如前所述,该深度的速度结构与板块构造具有强相关性。第二个是660 km深度处的速度结构,我们可以看到在地幔过渡带底部的速度结构与板块构造的相关性明显减弱甚至消失。该深度处,两个主要的高速异常地区分别位于西太平洋和南美洲,这些高速异常与我们对俯冲带的精细走时层析成像结果一致,代表了俯冲板片的深部结构。在1000 km深度处,之前所表現的特征明顯減弱,大尺度結構缺失。但在一些區域,我們仍可觀測到與俯沖結構相關的高速異常,比如湯加地區和南美洲的北部。

    與此類似,在俯沖帶地區的層析成像中,我們經常可以看到這些區域的俯沖板片往往俯沖得更深。在地幔的底部(~2800  km),速度結構發生了很大變化,表現出明顯的大尺度特征。例如,兩個分別位于太平洋中部和非洲的低速區,亦被稱爲LLSVPLarge Low Seismic Velocity Province)。其它的層析成像模型中我們也能看到這些結構,並且從這些模型中提取ScS震相的走時異常,我們可以發現這些特征並不是假象,而是數據本身攜帶的信息。那麽什麽是LLSVP?它們在地球動力學中起什麽作用?是否是板塊俯沖的驅動力?是否在地幔對流中起到決定性作用? 

2  S362模型不同深度VS速度剖面

  下面我将介绍一些关于层析成像的基本概念。对于给定分布的震源和地震台站,我们可以得到一些震相的旅行时信息。如果在地震波经过的区域内存在低速异常结构,其到时会晚于根据背景速度模袌D扑愕玫降睦砺鄣绞薄5ヒ坏纳湎叽播方向往往并不能确定速度异常的位置或是否存在,所以需要射线路径充分覆盖。另一方面,地震台站接收到的地震信号携带了大量地球深部结构的信息,如果我们能够充分利用这些信息,则可以提高成像的分辨率。比如,尽管震源到台站的路径上存在小体积的速度异常,单从初至波的到时信息上并不能反映出速度异常。这是因为初至波总会沿着走时最小的路径传播,也就是说它会绕过低速异常体传播到地震台站。但初至波后的波形信息会记录到低速异常的信息,所以尽可能发掘波形中的信息,能为约束速度结构提供更多信息。这是全波形层析成像的优势之一,也是这些年我们一直致力于发展这种方法的原因。全波形层析成像是通过迭代使根据理论模型正演的波形数据不断接近观测的波形数据,也就是使失配函数最小。近十多年来数值算法的快速发展使我们可以用谱元法计算更复杂的三维全球模型的理论地震圖,从而获得更精细的地幔速度结构。

3  地震波传播经过小尺度低速异常时的路径及波形示意圖

  2.上地幔成像結果

  前面我介绍了一些背景知识,接下来我将展示最近取得的一些结果。圖4 A是太平洋中心區域的第二代全球S波全地幔速度模型250 km深度剪切波速度相對變化結果。我們發現沿著近平行于絕對板塊運動方向存在條帶狀低速異常。在垂直于絕對板塊運動的方向,條帶狀低速異常結構水平間隔約2000 km(圖 4 B-E)。不僅地震學研究,大地水准測量資料研究也發現了類似的特征。這種條帶狀的低速異常不僅存在于太平洋區域,在其它地區(如印度洋和大西洋)也出現了類似的結構。在這些條帶狀低速異常的附近區域通常存在熱點。在300 km以下(圖 5),可以清楚地觀測到從下地幔近垂直向上延伸的柱狀低速異常體。這些深部柱狀低速異常體與其之上的條帶狀低速異常相連。在一些區域,這些近垂直的深部低速異常體可能扮演著向淺部條帶狀低速體注入物質的通道,從而導致了軟流圈物質沿著板塊運動方向水平流動。 

4  A.250 km深度VS速度異常切片;B-C.垂直于APM方向的VS速度異常剖面;D-E.平行于APM方向的VS速度剖面 

5  VS速度异常三维视圖    

  3.下地幔成像結果 

  下面我們來看下地幔的速度結構。前人通過傳統層析成像方法所構建的剪切波速度模型(S40RTS),在MacdonaldPitcairn兩個火山下方存在低速異常。但是,由于火山的周圍區域存在相似的低速異常,兩個火山下方的低速異常是否代表了地幔柱仍不能確定。近年來,我們通過全波形層析成像新獲取的全地幔剪切波速度模型(SEMUCB_WM1;圖 6),清晰地指示出火山下方的下地幔中存在近垂直的柱狀低速異常,其速度異常值顯著大于周圍地區(異常值約1.5%2%)。這些低速異常的底部恰好位于核幔邊界附近剪切波速度極小的區域,一直向上延伸至約1000 km深度。雖然地幔柱並不一定位于火山的正下方,但可清晰地看出地幔柱與火山有著一一對應關系。 

6  SEMUCB_WM1速度模型垂直剖面        

  2800 km深度的速度剖面上(圖 7),我們可以發現11個主要熱點下方存在特征相近的地幔柱,這些地幔柱在1000-2800 km內的速度異常值小于-0.5%。我們的SEMUCB-WM1模型顯示,在其它的熱點附近也存在類似的從核幔邊界一直向上延伸的(軟)弱通道。一個很有意思的現象是,我們所觀測到的這些地幔柱都位于或緊鄰非洲和太平洋LLSVP。巧合的是,我們也沒有在核幔邊界剪切波高速異常區的上方發現熱點。 

7  SEMUCB_WM1 2800 km深度速度剖面  

  我们也做了一些正演测试(圖 8),在夏威夷下方設置了一個較細的地幔柱模型,其直徑爲400 km,從核幔邊界一直延伸到1000 km深度,剪切波速度異常值爲-2%。從成像的結果來看,速度異常直徑達到了600 km,速度異常值只有約-0.5%。這個結果說明如果實際的地幔柱的寬度小于400 km,我們的方法很難對其進行有效地成像。  

8  400 km寬地幔柱正演測試   

  爲了驗證觀測到的速度異常不是由大的速度異常分解得到的,我们又做了下面的测试(圖 9)。在核幔邊界至1500 km深度範圍內設置了一個直徑爲5000 km、速度異常值爲-2%的模型。測試表明,恢複的速度模型與理論模型大致相同,並沒有産生SEMUCB-WB1模型中類似地幔柱的假象。  

9  正對大速度異常區的正演測試

  以上的测试结果表明,我们的方法可以有效恢复从核幔边界向上延伸的大尺度速度异常体。后面,我们将继续通过正演测试来确定位于核幔边界上方的强速度异常薄层对层析成像的影响(圖 10)。我們在初始模型中設置了以核幔邊界爲底,高度爲600 km、直徑爲5000 km、速度異常值爲-3%的結構。結果表明,全波形層析成像能夠將其良好的恢複。需要特別注意的是,新方法也可對速度異常結構的深度進行較准確地約束。 

10  帶有強速度異常薄層的正演測試

  在前人研究以及我們新獲取的SEMUCB-WM1模型中,地幔柱底部(核幔邊界上方)存在剪切波超低速區(ULVZs),但其精細的結構仍存在爭議。我們利用北美地區地震台站所接收到的西太平洋地區地震事件S/Sdiff 震相的波形信息研究了中心位于夏威夷西南11°、太平洋LLSVP邊界內的剪切波超低速區(ULVZs)。並通過測量走時、波束成形分析以及三維數值模擬波形對比,對該ULVZs進行了約束。結果表明,在核幔邊界上方的高度約20 km、直徑約爲910 km範圍內,其剪切波速度異常值達到了約-20%。同樣的,我們在冰島地幔柱的下方也發現了具有相似結構的剪切波超低速區(ULVZs)。    

  4.未來展望 

  近年來,我們發展了盒層析成像方法Box Tomography)。这个方法可以应用于地下局部地质结构的成像。不同于传统层析成像方法,盒層析成像方法的数值模拟(比如波形层析成像)完全在成像的區域內,因此相較于傳統層析成像,具有效率高的優點,而且在成像區域以外速度信息缺失時也可對目標區域進行准確的成像。這個方法可以用于研究地球深部特定區域,因此將會有效地改進和提升目前的全球層析成像模型,對我們理解地球內部結構以及地球動力學具有至關重要的意義。 

11  全球層析成像與區域層析成像的比較    

  以上就是我今天報告的全部內容,謝謝大家! 

    

  主要參考文獻 

  1. Cottaar S, Romanowicz B. An unsually large ULVZ at the base of the mantle near Hawaii[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 355: 213-222.原文鏈接 
  2. French S, Lekic V, Romanowicz B. Waveform tomography reveals channeled flow at the base of the oceanic asthenosphere[J]. Science, 2013, 342(6155): 227-230.原文鏈接 
  3. French S W , Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth’s mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567):95-99.原文鏈接 
  4. Kustowski B, G. Ekstrom, A. M. Dziewonski. Anisotropic shear-wave velocity structure of the Earth's mantle: A global model[J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 2008, 113(B6).原文鏈接 
  5. Masson Y, Romanowicz B. Box Tomography: Localised imaging of remote targets buried in an unknown medium, a step forward for understanding key structures in the deep Earth[J]. Geophysical Journal International, 2017, 211(1): 141-163.原文鏈接 
  6. Yuan K, Romanowicz B. Seismic evidence for partial melting at the root of major hot spot plumes[J]. Science, 2017, 357(6349):393-397.原文鏈接

 

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