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    广州地化所在太平洋大低速省(LLSVP)东部边界
    发现新的超低速区(ULVZ)

    文章来源:广州地球化学研究所   发布时间:2019-03-13  【字号:     】  

      超低速区(ULVZ,Ultra-Low Velocity Zones)是?#37240;?#36793;界存在的一种结构异常。它最显著的特点是P波和S波的速度降最高能达到10%和30%,密度增加最高到10%左右。ULVZ在?#37240;?#36793;界呈零散分布,主要集中在大低速省(LLSVP)周边,但?#32423;?#20063;有分布在远离LLSVP的俯冲板片附近的。目前,ULVZ成因一般有部分熔融和成?#30452;?#21270;两种。但单独的部分熔融不能解释ULVZ密度的增加。物?#26102;?#21270;则存在多种成因,如地核中铁以及俯冲板片带下去的?#21152;?#19979;地幔物质的反应等。ULVZ无疑是?#37240;?#36793;界物质和热量?#25442;?#30340;结果,其分布和特征受地幔对流的影响。所以,通过对ULVZ分布和特征的研究,也能反推?#37240;?#36793;界的动力学过程。

      中国科学院广州地球化学研究所孙新蕾课题组选取了太平洋LLSVP周边作为探索和发现ULVZ分布和结构特征的区域。一方面,太平洋周边地震活动和台站分布比较多,可选择的数据有保障;另一方面,太平洋LLSVP也是ULVZ研究比较多的区域,现有研究揭示,已经在其北部、东北部、南部等边界区域发现了ULVZ的存在(图1)。

      该课题组主要关注太平洋LLSVP东部ULVZ的分布和特征。因为之前受限于数据和所用方法,这个区域一直没有ULVZ的报道。更全面的太平洋LLSVP周边ULVZ的分布和特征,有利于?#21592;?#19981;同的ULVZ和周边结构/动力学过程的关系,从而能更精确地理解ULVZ的成因。

      在研究中,孙新蕾课题组采用了非传统的地震波,即PKP的前驱波(图2)。这种前驱波因为受?#37240;?#36793;界不均匀结构的影响,在穿过地核的PKP波之前到达,并且携带了?#37240;?#36793;界的结构信息(数据来自澳大利亚地震台阵记录到的南美的地震波信号)。

      需要指出的是,该研究中的PKP前驱波和以往大多数的前驱波不同:以往的前驱波大多是杂乱无章的类噪声波形,而该课题组的数据则是有确定到时和相位的震相。因此,可以对这些前驱波的震相进行一系列分析,确定它们对应的?#37240;?#36793;界结构。

      通过走时偏移、慢?#30830;治觥?#27874;?#25991;夂系?#22810;?#22336;治?#21644;测试,该课题组发现PKP前驱波是太平洋LLSVP东部边界离散分布的小尺度ULVZ引起的。这些ULVZ的尺度大多在几十公里,速度降为6%-10%。研究区域LLSVP的东侧边界由于存在活跃的俯冲板片,变化比较尖锐,这种快速变化可能引发小尺度的对流,从而引发了ULVZ的离散分布。此外,研究区域的北边是Galapagos热点所在,而对该热点的岩浆进行的成分和氦同位素分析,也表明该热点来源为?#37240;?#36793;界的富镍的熔融物质,而这些熔融物质应该是?#37240;?#36793;界的后钙钛矿或铁方镁石与地核中物质反应的结果。这些ULVZ虽然是?#37240;?#29289;质反应的产物,并在小尺度对流的作用下形成,考虑到附近上涌地幔柱的存在,研究人员也并不能完全排除热的影响——?#23548;?#19978;,部分熔融也应该是在热的作用下对变化的物质成分的作用(图3)。

      研究中新发现的这?#20013;?#23610;度的ULVZ与太平洋LLSVP周边其他ULVZ有所不同,它们的存在和分布进一步证明了?#37240;?#36793;界物质反应对其成因的重要性,同时也对俯冲板片和地幔热柱边界的对流过程有了一定认?#19969;?/p>

      相关研究成果发表于Earth and Planetary Science Letters。该研究受国家自然科学基金(41774053)和中科院战略性先导项目B(XDB18000000)资助。高频波?#25991;?#21512;受国家自然科学基金委-广东联合基金资助,在天河二上进行。

      论文信息:Ma, X., Sun, X., & Thomas, C. (2019). Localized ultra-low velocity zones at the eastern boundary of Pacific LLSVP. Earth and Planetary Science Letters, 507, 40-49.

     

      图1 ULVZ在?#37240;?#36793;界的分布(由Yu et al. 2018修?#27169;?红色区域为已经发现ULVZ的区域,蓝色为没有ULVZ的区域,绿色为本研究?#35762;?#21040;ULVZ的区域。

     

      图2(左) PKP路径图。其中虚线为因为?#37240;?#36793;界的不均匀结构而产生的散射波,即PKP前驱波。(右)该研究中使用的PKP前驱波震相,以及与PKP(df 和cd)波的?#21592;取?/p>

     

      图3 研究区域ULVZ的分布及成因示意图。下图为南美洲到澳大利亚的剖面图,背景为地幔速?#30830;植?#22270;。上图为放大的黄色区域。LLSVP边缘由于板片俯冲和地幔热往上涌造成的小尺度对流,会导致?#37240;?#21453;应的物质混合/部分熔融,形成零散分布的小尺度ULVZ。




    (责任编辑:?#24230;?#20248;)

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