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【前沿论坛】Romanowicz:地震波形层析成像揭示:地幔柱起源于核幔边界
2019-09-06 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

报告人:Barbara Romanowicz | 整理:宫畅、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,今天我报告的题目是“Mantle plumes rooted at the core-mantle boundary: evidence from seismic waveform tomography”。地震层析成像方法已发展三十余年,它所获取的地球深部速度模型为我们认识地球动力学过程提供了重要依据。首先,我们来看早期的上地幔地震层析模型(图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(图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(图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,之前所表现的特征明显减弱,大尺度结构缺失。但在一些区域,我们仍可观测到与俯冲结构相关的高速异常,比如汤加地区和南美洲的北部。

    与此类似,在俯冲带地区的层析成像中,我们经常可以看到这些区域的俯冲板片往往俯冲得更深。在地幔的底部(~2800  km),速度结构发生了很大变化,表现出明显的大尺度特征。例如,两个分别位于太平洋中部和非洲的低速区,亦被称为LLSVPLarge Low Seismic Velocity Province)。其它的层析成像模型中我们也能看到这些结构,并且从这些模型中提取ScS震相的走时异常,我们可以发现这些特征并不是假象,而是数据本身携带的信息。那么什么是LLSVP?它们在地球动力学中起什么作用?是否是板块俯冲的驱动力?是否在地幔对流中起到决定性作用? 

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型计算得到的理论到时。单一的射线传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图,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图

  2.上地幔成像结果

  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。图4 A是太平洋中心区域的第二代全球S波全地幔速度模型250 km深度剪切波速度相对变化结果。我们发现沿着近平行于绝对板块运动方向存在条带状低速异常。在垂直于绝对板块运动的方向,条带状低速异常结构水平间隔约2000 km(图 4 B-E)。不仅地震学研究,大地水准测量资料研究也发现了类似的特征。这种条带状的低速异常不仅存在于太平洋区域,在其它地区(如印度洋和大西洋)也出现了类似的结构。在这些条带状低速异常的附近区域通常存在热点。在300 km以下(图 5),可以清楚地观测到从下地幔近垂直向上延伸的柱状低速异常体。这些深部柱状低速异常体与其之上的条带状低速异常相连。在一些区域,这些近垂直的深部低速异常体可能扮演着向浅部条带状低速体注入物质的通道,从而导致了软流圈物质沿着板块运动方向水平流动。 

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

5  VS速度异常三维视图    

  3.下地幔成像结果 

  下面我们来看下地幔的速度结构。前人通过传统层析成像方法所构建的剪切波速度模型(S40RTS),在MacdonaldPitcairn两个火山下方存在低速异常。但是,由于火山的周围区域存在相似的低速异常,两个火山下方的低速异常是否代表了地幔柱仍不能确定。近年来,我们通过全波形层析成像新获取的全地幔剪切波速度模型(SEMUCB_WM1;图 6),清晰地指示出火山下方的下地幔中存在近垂直的柱状低速异常,其速度异常值显著大于周围地区(异常值约1.5%2%)。这些低速异常的底部恰好位于核幔边界附近剪切波速度极小的区域,一直向上延伸至约1000 km深度。虽然地幔柱并不一定位于火山的正下方,但可清晰地看出地幔柱与火山有着一一对应关系。 

6  SEMUCB_WM1速度模型垂直剖面        

  2800 km深度的速度剖面上(图 7),我们可以发现11个主要热点下方存在特征相近的地幔柱,这些地幔柱在1000-2800 km内的速度异常值小于-0.5%。我们的SEMUCB-WM1模型显示,在其它的热点附近也存在类似的从核幔边界一直向上延伸的(软)弱通道。一个很有意思的现象是,我们所观测到的这些地幔柱都位于或紧邻非洲和太平洋LLSVP。巧合的是,我们也没有在核幔边界剪切波高速异常区的上方发现热点。 

7  SEMUCB_WM1 2800 km深度速度剖面  

  我们也做了一些正演测试(图 8),在夏威夷下方设置了一个较细的地幔柱模型,其直径为400 km,从核幔边界一直延伸到1000 km深度,剪切波速度异常值为-2%。从成像的结果来看,速度异常直径达到了600 km,速度异常值只有约-0.5%。这个结果说明如果实际的地幔柱的宽度小于400 km,我们的方法很难对其进行有效地成像。  

8  400 km宽地幔柱正演测试   

  为了验证观测到的速度异常不是由大的速度异常分解得到的,我们又做了下面的测试(图 9)。在核幔边界至1500 km深度范围内设置了一个直径为5000 km、速度异常值为-2%的模型。测试表明,恢复的速度模型与理论模型大致相同,并没有产生SEMUCB-WB1模型中类似地幔柱的假象。  

9  正对大速度异常区的正演测试

  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(图 10)。我们在初始模型中设置了以核幔边界为底,高度为600 km、直径为5000 km、速度异常值为-3%的结构。结果表明,全波形层析成像能够将其良好的恢复。需要特别注意的是,新方法也可对速度异常结构的深度进行较准确地约束。 

10  带有强速度异常薄层的正演测试

  在前人研究以及我们新获取的SEMUCB-WM1模型中,地幔柱底部(核幔边界上方)存在剪切波超低速区(ULVZs),但其精细的结构仍存在争议。我们利用北美地区地震台站所接收到的西太平洋地区地震事件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边界内的剪切波超低速区(ULVZs)。并通过测量走时、波束成形分析以及三维数值模拟波形对比,对该ULVZs进行了约束。结果表明,在核幔边界上方的高度约20 km、直径约为910 km范围内,其剪切波速度异常值达到了约-20%。同样的,我们在冰岛地幔柱的下方也发现了具有相似结构的剪切波超低速区(ULVZs)。    

  4.未来展望 

  近年来,我们发展了盒层析成像方法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,盒层析成像方法的数值模拟(比如波形层析成像)完全在成像的区域内,因此相较于传统层析成像,具有效率高的优点,而且在成像区域以外速度信息缺失时也可对目标区域进行准确的成像。这个方法可以用于研究地球深部特定区域,因此将会有效地改进和提升目前的全球层析成像模型,对我们理解地球内部结构以及地球动力学具有至关重要的意义。 

11  全球层析成像与区域层析成像的比较    

  以上就是我今天报告的全部内容,谢谢大家! 

    

  主要参考文献 

  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. 
  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. 
  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. 
  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). 
  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. 
  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.

 

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