地幔过渡带界面成像解释天山造山机制

2010-11-24 09:31 来源: 中国科学院
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  天山是由晚古生代多陆块拼贴而成,经历了中生代到早新生代的夷平作用。但是在晚新生代,印度与欧亚大陆陆-陆碰撞的作用力通过塔里木克拉通传递到1500km外的天山,并在北侧哈萨克斯坦地盾的阻挡下,天山迅速抬升。其陆内造山机制为地学界所关注,并相继提出了诸如挤压增厚、俯冲等动力学模式。由于其收缩量(小)和地壳增厚(小)的程度表明板块间水平作用力下挤压增厚和俯冲都不能很好地解释天山的造山机制,因此,深部地幔与地壳间的垂向作用可能对天山抬升和造山的贡献应被充分考虑。

  通过研究地幔过渡带(介于410km和660km相变界面之间,界面深度强烈依赖于温度变化)厚度的变化,可获得相应深度范围的温度异常信息,从而可用来研究上、下地幔间的物质交换(冷热交换)。远震P波穿过地幔过渡带时,在两个相变界面分别产生P-to-S转换波,由于其偏振方向不同于原生P波,可通过接收函数方法分离出转换波及其多次波序列(即接收函数),对多个接收函数叠加可增强来自410km界面和660km界面的转换波。

  传统的接收函数方法研究地幔过渡带厚度和界面起伏时,时深转换和动校正叠加依赖于地壳、上地幔P波和S波速度模型的选取。速度模型的误差可导致虚假的地幔过渡带厚度变化和界面起伏信息。为了减小对地壳、上地幔速度模型的依赖,中科院地质与地球物理研究所青藏高原研究室深部物理场与动力学学科组田小波副研究员及其合作者提出了仅使用410km界面和660km界面的转换波到时差的成像方法,结合体波走时成像的基本原理,通过射线交叉互相约束反演界面起伏。

  他们将该方法应用于中天山,得到其下方两个相变界面起伏图像和地幔过渡带厚度的横向变化。相变界面的深度变化表明:天山东南缘下方的地幔过渡带中低温异常可能是深俯冲或拆沉的岩石圈板片;而其北缘下方的地幔过渡带中的高温异常可能是来自下地幔的热柱。这一热柱可能一直延续到天山中部的上地幔顶部,热柱巨大的抬升作用,在垂向上促使天山强烈隆升,而其地壳却未明显加厚。

  该项研究成果近期发表在国际知名地球物理研究期刊Journal of Geophysical Research(《地球物理学研究杂志》)(Tian et al. Mantle transition zone topography and structure beneath the central Tien Shan orogenic belt. Journal of Geophysical Research, 2010, 115, B10308, doi:10.1029/2008JB006229)。

图1 台站分布(a)和震源分布(b)

图2 地幔过渡带界面成像结构及其动力学解释