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NG:印-非地幔柱树形结构的地震层析成像研究
2021-09-07 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  Wilson (1963) 根据太平洋、大西洋及印度洋中火山岛的分布特征及年龄顺序提出了热点假说, 该假说认为岩石圈下的热点是相对“静止”的,当岩石圈从其上方漂过时,就会形成线状分布的火山岛链。在此基础上,Morgan (1971)提出的地幔柱假说,指出热物质自核幔边界(core-mantle boundary, CMB)上升,形成细长的柱状体并到达地表,称为地幔柱,而热点则是地幔柱在地表处的表现形式。Griffiths and Campbell (1990) 根据其实验结果和数值模拟建立了动态热柱结构模型,认为地幔柱是由巨大的蘑菇状柱头和细长的柱尾组成。板块重构与地震学观测结合的研究显示,在空间上,全球范围内的热点与位于非洲和太平洋下方地幔底部的两个大型低速省(large low-velocity provinces, LLVPs,亦称为大型低剪切波速省,large low-shear-wave-velocity provinces, LLSVPs)相关联(图1Torsvik et al., 2010)。然而,也有学者否定地幔柱的存在,他们认为地球内部实际温度无法达到地幔柱理论所需温度,进而提出地表热点是浅部板块构造运动产物的观点(Anderson and Natland, 2007; Foulger, 2002)。

1 全球尺度大型低剪切波速省 (LLSVPs)、大火成岩省 (large igneous provinces, LIPs)、金伯利岩及与深源地幔柱相关的活跃热点分布(Torsvik et al., 2010

  尽管众多地震学研究已对LLVPs及其相关地幔柱的结构形态进行约束(e.g., Ni et al., 2002; Ritsema et al., 2011),但由于地幔柱的直径较小,加之大部分地幔柱位于观测数据覆盖较差的大洋地区,因此难以准确描绘地幔柱形态。近期,来自英国牛津大学地球科学学院的Tsekhmistrenko及其合作者在Nature Geoscience上发表文章(Tsekhmistrenko et al., 2021),以非洲、印度洋及南大洋为中心,通过整合新的地震学资料,分层构建各深度、各长度尺度范围的速度结构,精细刻画出该区域全地幔深度的地幔柱形态,揭示其具有树形结构特征,并进一步提出这一结构的可能成因。

  不同于以往的研究,Tsekhmistrenko et al. (2021)将三组数据进行联合反演用以得到整个地幔的高精度层析成像结果(图2)。首先,从地震台站运行时间长、数据记录丰富的International Seismological Centre – Engdahl, van der Hilst and Buland (ISC-EHB)地震目录中拾取了2,342,621个经筛选的远震P波走时数据,用来构建地幔中部P波速度结构。其次,从全球走时数据库(Hosseini et al., 2020)中选取了区域最优化的189,439条衍射P波走时互相关数据,用来计算和约束下地幔速度结构。第三,利用Reunion Hotspot and Upper Mantle-Reunion Unterer MantleRHUM-RUM)区域密集台阵所提供的55,657个远震多频走时数据,来计算Reunion热点下的地幔上部速度结构。最后,将三组数据联合反演得到了精度更高的速度模型。Tsekhmistrenko et al. (2021)将该速度模型命名为RROx-19模型(图2f)。与已有的速度模型对比,RROx-19在整个地幔深度上都具有低速异常更明显、结构更清晰的特点。

2 横跨La Reunion和南非地区东-西走向剖面,展示了三组数据分别对整个地幔层析成像的贡献(Tsekhmistrenko et al., 2021)。(a)利用ISC-EHB/EHB所提供的远震P波走时拾取进行全球尺度反演。该二维剖面及其所沿大圆(great circle)位置由左上角三维地球模型上黑色实线所标记。红色和蓝色分别代表低于和高于平均P波速度(VP)区域。垂直于地下个界面的黑色粗实线从地表La Reunion一直延伸到CMBMd, 马达加斯加;CIR, 印度洋中脊;PGZ,地幔柱生成区域。(b)由(a)中二维速度剖面得到的三维剖面模型。其中地表至CMB500 km范围内,通过5个速度等值面(dVP/VP==-0.25%, -0.5%, -1%, -2% 和 -3%,将(a)中二维剖面向两侧分别延展500 km。最底部500 km范围则不局限于(a)中速度分布,代表全尺度三维速度模型。(c)、(d)分别与(a)、(b)描绘内容一样,只是将CMB衍射P波走时数据与ISC-EHB/EHB提供的远震P波走时数据进行联合反演。(e)、(f)将RHUM-RUM台阵提供的远震多频走时数据与前两组数据进行联合反演得到的二维和三维速度剖面

  基于RROx-19模型成像结果,Tsekhmistrenko et al. (2021)提出印-非地幔柱的树形结构模式(图3)。该结构模式指出,CMB以上~5001000 km深度范围内,存在两条“根状”低速体,北西-南东走向的低速体被称为南印度洋低速走廊,另一条南北走向的则称之为东非低速走廊。两条低速走廊在南非下方汇聚,并由汇聚点以上至~1500 km深度形成紧凑的、较粗的“树干”结构。从“树干”顶部(图3中约1500 km深位置)至上地幔底部存在三根“树枝”结构,每根都由一系列按次序形成的地幔柱源区异常体及其上升团状物组成。三根“树枝”分别向三个不同的方向延展,一支向东南延展,位于南印度洋低速走廊上方,并与Reunion地区上地幔一个直径约200 km的低速结构连接;另一支向北延展,位于东非低速走廊上方,由LLVP穹顶向北侧的MalawiKenya方向上升延展,并通过上地幔的低速异常体进一步与更北部的Afar热点相连通;第三支向西南方向的Bouvet热点延展。每根‘树枝’在地幔转换带(~600 km深度)之上,因粘滞度分界形成一条或多条次生地幔柱。这些次生地幔柱进一步上升,其柱头影响可能已经到达地表并形成被观测到的LIPs (e.g., Madagascar Rise LIPDeccan Traps LIP),或者孕育未来的LIPse.g.,模型指出在Kenya下方未来可能具备形成LIPs的条件)。

  地幔柱的本质是地球的散热通道,PROx-19模型中的粗“树干”结构解决了经典的细长柱尾结构所面对的散热量不足问题。这并不是第一次观测到该结构,之前多项地震学研究曾观测到下地幔直径约为500 – 1000 km的柱尾结构(French et al., 2015; Ritsema et al., 1999)。此外,Liu and Leng (2020)根据近期地球物理观测和矿物学实验结果,在构建三维地球动力学模型时考虑了上、下地幔粘滞度的精细分层特征。他们的模拟结果显示,地幔转换带底部(600-660 km)和上地幔(100-410 km)低粘滞度层的存在,可使下地幔单个粗柱状热柱在上地幔分叉形成多个细柱结构,且细柱的数量和形态随时空变化。这一结果揭示,地幔粘滞度分层性对地幔柱树枝末端的次生地幔柱结构的形成和演化具有重要控制作用。

3 -非地幔柱的树形结构卡通示意图,该示意图未展示向西南方向Bouvet热点延伸的‘树枝’结构(Tsekhmistrenko et al., 2021

  Tsekhmistrenko et al. (2021)对印-非地幔柱的树形结构也提出了动力学解释(图4),即:(a)低速走廊末端具有最大的横向温度梯度,因此异常体1衍生于此;(b)异常体1与低速走廊脱离,形成团状物1,最大横向温度梯度向左横移,导致异常体2重复异常体1的衍生过程;(c)同理,团状物2及异常体3也随之衍生;(d)低速走廊的衍生异常体3与分离出来的团状物12呈倾斜线性排列,当达到上、下地幔黏性分界时,团状物1衍生出一套“经典”的地幔柱头、柱尾结构。

4 -非地幔柱树形结构的动力学成因模型(Tsekhmistrenko et al., 2021)。(aCMB低速走廊及原始地幔柱(直径约为800 km的异常体1)。低速走廊末端具有最大的横向温度梯度,因此异常体1衍生于此;(b)异常体1与低速走廊分离,垂直上升并形成团状物1。最大横向温度梯度向左横移,导致异常体2重复异常体1的衍生过程;(c)同理,异常体2脱离形成团状物2,异常体3随之衍生;(d)示意图展示低速走廊的衍生异常体3与分离出的团状物12的倾斜线性排列及分离后减薄的CMB低速走廊。当团状物1达到上、下地幔黏性分界时,衍生出一套‘经典’的地幔柱头、柱尾结构。团状物1与图3Reunion地幔柱相对应,而团状物3则与LLVP穹顶相对应

  Tsekhmistrenko et al. (2021)提出的树形地幔柱与一些地表地质现象相吻合。例如,位于东非低速走廊远端上方的Afar地区,曾在~30 Ma经历了溢流玄武岩喷发及随之的由大陆裂谷向海底扩张过程的转换。沿东非裂谷向南,位于该低速走廊中部上方的裂谷区就相对年轻、发育程度较低,且与裂谷发育相关的岩浆活动并没有有体现出LIPs的特征。位于裂谷系南端,东非走廊近“树干”端上方的Malawi裂谷区以南地区则并没有发现大陆裂谷活动,这是由于上升的团状物仍处在地幔中部,并未衍生出直达地表的柱头-柱尾结构。类似的现象也存在于南印度洋低速走廊上方地表。但同时,该地幔柱结构亦面临诸多挑战,其中之一就来自对东非裂谷系发育机制的讨论。多项近期研究显示,地幔柱对该裂谷系的发育影响有限或直接提出被动式的发育机制(e.g.Reed et al., 2016; Rychert et al., 2012; Stamps et al., 2015),该观点与树形地幔柱结构相矛盾。此外,如作者文中所述,台站覆盖区以外的上地幔(~900 km以上)分辨率不高,难以准确刻画该深度范围的速度结构。再有,目前没有一个速度模型能够提供支持第三条CMB低速走廊(由LLVP穹顶向西南方向Bouvet延伸)存在的直接证据。因此,树形地幔柱结构的广泛认可仍有待于上述问题的解决。

  【致谢:感谢岩石圈室陈凌研究员的宝贵修改建议。】

  主要参考文献 

  Anderson D L, Natland J H. Evidence for mantle plumes?[J]. Nature, 2007, 450(7169): E15-E15. 

  Burke K, Steinberger B, Torsvik T H, et al. Plume generation zones at the margins of large low shear velocity provinces on the core–mantle boundary[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 265(1-2): 49-60. 

  Foulger G R. Plumes, or plate tectonic processes?[J]. Astronomy & Geophysics, 2002, 43(6): 6.19-6.23. 

  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. 

  Griffiths R W, Campbell I H. Stirring and structure in mantle starting plumes[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1990, 99(1-2): 66-78. 

  Hosseini K, Sigloch K, Tsekhmistrenko M, et al. Global mantle structure from multifrequency tomography using P, PP and P-diffracted waves[J]. Geophysical Journal International, 2020, 220(1): 96-141. 

  Liu H, Leng W. Plume‐Tree Structure Induced by Low‐Viscosity Layers in the Upper Mantle[J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(1): e2019GL086508. 

  Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle[J]. Nature, 1971, 230(5288): 42-43. 

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  Reed C A, Liu K H, Chindandali P R N, et al. Passive rifting of thick lithosphere in the southern East African Rift: Evidence from mantle transition zone discontinuity topography[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121(11): 8068-8079. 

  Ritsema J, Deuss A, Van Heijst H J, et al. S40RTS: a degree-40 shear-velocity model for the mantle from new Rayleigh wave dispersion, teleseismic traveltime and normal-mode splitting function measurements[J]. Geophysical Journal International, 2011, 184(3): 1223-1236. 

  Ritsema J, van Heijst H J, Woodhouse J H. Complex shear wave velocity structure imaged beneath Africa and Iceland[J]. Science, 1999, 286(5446): 1925-1928. 

  Rychert C A, Hammond J O S, Harmon N, et al. Volcanism in the Afar Rift sustained by decompression melting with minimal plume influence[J]. Nature Geoscience, 2012, 5(6): 406-409. 

  Stamps D S, Iaffaldano G, Calais E. Role of mantle flow in Nubia‐Somalia plate divergence[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42(2): 290-296. 

  Torsvik T H, Burke K, Steinberger B, et al. Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary[J]. Nature, 2010, 466(7304): 352-355. 

  Tsekhmistrenko M, Sigloch K, Hosseini K, et al. A tree of Indo-African mantle plumes imaged by seismic tomography[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 612-619.原文链接

  Wilson J T. A possible origin of the Hawaiian Islands[J]. Canadian Journal of Physics, 1963, 41(6): 863-870. 

  (撰稿:王拓,李杨/岩石圈室)

 
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