地幔过渡带俯冲板片界面成像研究获进展

作者: 王新等

来源: 中国科学院地质与地球物理研究所

发布日期: 2020-11-17 07:30:00

中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队在西北太平洋俯冲带下方的俯冲板片精细结构展开探测研究,发现了地幔过渡带内明显的俯冲板片界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板片下侧的高含水量,这对于理解地球深部动力学过程具有重要意义。

板块俯冲是地球上较为宏大和复杂的地质过程之一,是理解地球内部物质能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节。在板块俯冲过程中,俯冲板片将冷的、不同组分的物质带入地幔,与周围地幔相互作用,在二者边界发生热化学交换。对俯冲板片界面的认识是理解板片几何形态、组分结构、深部水循环和地幔熔融等地球深部动力学过程的关键。

在地球浅部,不同俯冲带的地震学探测均揭示出明显的俯冲板片上、下界面,即俯冲板片与周围地幔物质存在显著的地震波速度不连续面。在俯冲板片的上界面,板片大量脱水,与超镁铁质地幔岩反应形成含水矿物,增强俯冲板块与上覆地幔楔之间的速度对比,从而形成地震学中观测到的地震不连续面。

尽管多数水会在150-200 km的深度从洋壳中释放出来,但在冷的俯冲环境下,水还可通过储存在硬柱石和高密度含水镁硅酸盐等矿物,或者以含羟基的名义无水矿物形式进入地幔更深处。俯冲板片的下部界面,即大洋岩石圈与下伏软流圈之间的边界,也可能表现为明显的速度不连续面。

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室副研究员王新、研究员陈棋福和李娟等,与美国莱斯大学、新加坡南洋理工大学地球观测研究所、北京大学、中国地震局地震预测研究所、美国加州理工学院和美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校等合作,对西北太平洋俯冲带下方的俯冲板片精细结构展开探测研究。

该研究在410-660 km深的地幔过渡带内探测到两个尖锐且略倾斜的地震波速度不连续面,与研究区域的全波形层析成像结果以及深源地震的分布吻合较好,认为它们分别代表俯冲的太平洋板片高速体的上界面和下界面。

大洋俯冲带研究是地球科学领域的前沿、热点及难点。近年来,浅部俯冲板片界面的探测已取得较大进展,但仍缺乏俯冲板片在深部的形态结构研究,特别是板片界面在深部的探测,导致难以较为全面地认识俯冲过程。该研究较以往研究更加深入地幔,在地幔过渡带内观测到明显的俯冲板片界面,揭示俯冲板片的层状组分结构和板片下侧的高含水量。

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