構(gòu)造板塊的厚度＊

Barbara Rom anowicz

(Berkeley Seismo logical Laboratory and Depart ment of Earth and Planetary Science,University of California at Berkeley,Berkeley,CA 94720,USA)

板塊構(gòu)造的基本前提是形成于洋中脊的剛性巖石圈板塊漂浮在更易變形的軟流層之上[1]。有關(guān)軟流圈的確切性質(zhì)至今仍然存在爭議。力學(xué)模型預(yù)測出的是清晰、鮮明的巖石圈-軟流圈邊界 (LAB),但傳統(tǒng)地震學(xué)得出的這一邊界卻是比較模糊的。Kawakatsu等[2]以及 Rychert和 Shearer[3]分別提供了更深入的地震學(xué)研究結(jié)果。這些結(jié)果有助于提高LAB的界定精度,從而有利于更精確地確定巖石圈和構(gòu)造板塊的厚度。然而與巖石圈中的其它結(jié)構(gòu)相比,LAB的界定更具挑戰(zhàn)性。

地震面波觀測顯示在大洋盆地下方約80～200 km,存在地震波低速區(qū) (LVZ)。這一低速區(qū)導(dǎo)致地震波能量的強(qiáng)烈損耗,很可能對(duì)應(yīng)于低粘滯度的軟流圈。板塊形成之后逐漸冷卻,使得上覆高速巖石圈蓋層的厚度隨著板塊年齡的增加而增大?？死ㄊ谴箨懮献罟爬?、最穩(wěn)定的部分,此處巖石圈厚度最大,軟流圈發(fā)育不良。近期地震層析成像、熱流以及基于金伯利巖 (源自地幔的巖石)的地球化學(xué)數(shù)據(jù)的綜合研究表明,克拉通地區(qū)的巖石圈厚度約為 200～250 km[4-6]。

地震體波在穿越地球內(nèi)部時(shí)經(jīng)過組分不連續(xù)界面或相變區(qū)域,利用這一事實(shí),地球內(nèi)部其他主要邊界,如核-幔邊界,更容易被探測。相比較而言,LAB的界定較為困難,而且很難確定 LVZ的地震特征究竟是源于巖石的部分熔融[7]、含水量的增加[8-9],還是僅僅源于溫度和壓力隨深度增加的均等效應(yīng)[10]。

接收函數(shù)方法已成功地探測和表征了比較模糊的地幔間斷面[11],利用該方法可識(shí)別寬頻地震記錄中從壓縮波到剪切波 (Ps)或從剪切波到壓縮波 (Sp)的彈性能量轉(zhuǎn)換。這種方法能對(duì)間斷面的深度、速度跳躍的符號(hào)和幅值進(jìn)行約束。利用接收函數(shù)已經(jīng)確定在可能的 LAB有兩處地震波速度下降,一處位于大洋島嶼下方約 70～80 km[12],另一處位于較年輕的大陸地區(qū)下方約 80～110 km[13]。

大洋島嶼通常位于“異?！钡蒯Ｖ?如較熱的地幔羽區(qū)域。海底地震臺(tái)站數(shù)量的嚴(yán)重不足導(dǎo)致無法對(duì)更具代表性的大洋盆地下方的 LAB進(jìn)行探測。利用西太平洋海底的幾個(gè)低噪聲地震鉆孔觀測臺(tái)的長期觀測資料,Kawakatsu等觀測到了來自 LAB的高質(zhì)量的 Ps、Sp轉(zhuǎn)換波[14]。LAB邊界非常清晰,說明此邊界并非由純熱源產(chǎn)生或僅由含水量增加引起。他們確信巖石的部分熔融現(xiàn)象肯定存在。此深度含水量的增大加速了巖石的熔融過程,這符合實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果[15]。

在大陸克拉通下方的預(yù)期深度也很難界定LAB[16],而在深度更淺些的地方,已觀測到波速呈正跳變或負(fù)跳變的其它許多間斷面,通常被稱為 Hales間斷面[17]。Rycher和Shearer提供了全球不同構(gòu)造背景下的 Ps接收函數(shù)研究結(jié)果,這些構(gòu)造包括大洋島嶼、活動(dòng)或穩(wěn)定的大陸地區(qū)。他們始終都能探測到一個(gè)與 LAB深度相對(duì)應(yīng)的、明顯的負(fù)速度梯度。這一深度在大洋島嶼 (70±4 km)與構(gòu)成大陸克拉通的前寒武紀(jì)地盾和地臺(tái) (95±4 km)之間的變化非常小。另外,剪切波速度的降幅可達(dá) 6～9%,說明這種現(xiàn)象不可能僅僅是由于溫度或成分變化引起。

Rychert和 Shearer的研究引發(fā)了一些令人感興趣的問題。例如:他們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)間斷面的性質(zhì)是否是全球性的?是否因地而異?是否與 Kawakatsu等人在洋盆發(fā)現(xiàn)的一致?地盾和地臺(tái)下方 95 km附近的間斷面與LAB有什么關(guān)系?為什么在預(yù)期的 200 km深度很難探測到LAB?

應(yīng)用臺(tái)站密集的長地震剖面 (LRSP)可以對(duì)大陸巖石圈進(jìn)行高分辨率的研究,對(duì)比其研究結(jié)果,能夠解析不同地震波的特征。研究發(fā)現(xiàn)在約 100 km深度 (即 8°間斷面)壓縮波始終呈現(xiàn)負(fù)的速度跳變[18]。在更深處,地震波散射非常強(qiáng)烈,表明存在高低速夾層的精細(xì)分層結(jié)構(gòu),這可能與異質(zhì)體的侵入(如流體侵入)有關(guān)[18]。這些特性很可能與Rychert和 Shearer發(fā)現(xiàn)的間斷面或者 Hales間斷面有關(guān)。

圖 1 剪切波速度降低。圖中展示了上地幔剪切波速度在大洋和大陸地區(qū)隨深度變化的差異。近期全球?qū)游龀上衲Ｐ偷慕Y(jié)果顯示了確定巖石圈-軟流圈邊界特性的難度。(a)對(duì)采自剖面的區(qū)域,用不同顏色標(biāo)出大陸克拉通(實(shí)線)和海底地區(qū)(虛線)。黑線代表全球平均值。全球數(shù)據(jù)集并不相同,但在這兩種情況下,它們都包含了對(duì)上地幔剪切波速度非常敏感的長周期地震波形。這兩個(gè)模型的不同之處在于線性反演中采用的一維初始模型不同。(b)對(duì)全球的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,同時(shí)保持速度隨深度光滑的變化[26]。(c)礦物學(xué)上非常有意義的(地幔巖)模型,顯示出更精細(xì)的深度變化[27]。這兩個(gè)模型中,在深度延伸至 200 km的范圍內(nèi),克拉通下方的波速都高于大洋地區(qū)的波速,而且波速隨深度增加而降低,海洋地區(qū) 100～150 km深度范圍內(nèi)速度最低(與 Kawaka tsu等結(jié)果類似),克拉通地區(qū) 200～250 km深度范圍內(nèi)速度最低。在分辨率較高的模型中(c),顯示了克拉通巖石圈底部更明顯的局部負(fù)速度梯度。另外,大陸和大洋地區(qū)下方約 100 km處都出現(xiàn)速度“傾斜”(Rycher t和 Shearer的結(jié)果中也有發(fā)現(xiàn))。

應(yīng)用 LRSP也能研究 8°間斷面之下的性質(zhì)。在地盾區(qū),LVZ的厚度較薄 (約 10～20 km);在其下方深至 200 km深度范圍內(nèi),地震波速度較高。相比較而言,在較年輕的大陸活動(dòng)地塊,LVZ的延伸范圍更深。在克拉通地區(qū),發(fā)現(xiàn)巖石圈局部區(qū)域的剪切波速度稍微偏低,其結(jié)果與近期剪切波層析成像的速度模型一致 (圖 1)。上述結(jié)果表明在大陸地區(qū)下方約 100 km深度的間斷面不是LAB,而很有可能是在太古代形成的克拉通的遺跡[19]。

有研究將克拉通下方 100 km處的負(fù)速度跳變歸于 LAB[20],但這種結(jié)論與面波及遠(yuǎn)震的走時(shí)數(shù)據(jù)資料并不相符,而這些數(shù)據(jù)能更好地對(duì)上地幔的平均波速進(jìn)行約束。更確切地說,似乎存在如下兩個(gè)明顯特征:一個(gè)起伏較小的 (構(gòu)造活動(dòng)區(qū)為 60～70 km,克拉通下方約為 100 km)負(fù)速度間斷面,此間斷面并非力學(xué)邊界;另一個(gè)輪廓并不鮮明但起伏范圍較大的LAB,其深度范圍在洋盆處為 60～80 km,克拉通地區(qū)為 200～250 km。在地盾和地臺(tái)區(qū),LAB可能不是間斷面,這是因?yàn)長AB延伸的深度范圍較大,且可能與部分熔融無關(guān),而與板塊底部所經(jīng)歷的強(qiáng)烈剪切作用導(dǎo)致的各向異性變化有關(guān)。這種差異可以解釋為什么接收函數(shù)方法未能連續(xù)探測到此邊界。這一情形與 LRSP得出的一些結(jié)果[21]一致,也與在洋盆[22]和克拉通[23]下方LAB的預(yù)期深度觀測到的剪切波方位各向異性快軸方向的變化一致。由于巖石圈板塊底部的剪切作用,大洋及大陸上年代較晚地區(qū)下方的部分熔融和強(qiáng)各向異性地帶會(huì)出現(xiàn)交疊,這與 Kawakatsu等發(fā)現(xiàn)的部分熔融區(qū)在水平方向上延伸的觀點(diǎn)一致。

最后,Rychert和 Shearer的研究只考慮了 Ps轉(zhuǎn)換波,但大陸地區(qū)地殼較厚,地殼中強(qiáng)烈的多次反射波會(huì)掩蓋來自 200 km間斷面的地震信號(hào)。Sp轉(zhuǎn)換波方法則不存在這種缺陷[24]。目前地球透鏡計(jì)劃的流動(dòng)臺(tái)陣已遍及洛磯山山前地區(qū)并進(jìn)入北美地盾[25],因此面波、Ps和 Sp波接收函數(shù)以及其它散射波場方法的綜合利用將有助于揭示大陸根的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其成因,今后在全球范圍內(nèi)也有望取得類似成果。同樣,要進(jìn)一步確認(rèn)Kawakatsu等在大洋LAB探測的部分熔融還需要通過在大洋盆地布設(shè)寬頻帶洋底觀測臺(tái)進(jìn)行持續(xù)觀測。

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