構造板塊的厚度＊

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]。有關軟流圈的確切性質至今仍然存在爭議。力學模型預測出的是清晰、鮮明的巖石圈-軟流圈邊界 (LAB),但傳統地震學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研究結果。這些結果有助于提高LAB的界定精度,從而有利于更精確地確定巖石圈和構造板塊的厚度。然而與巖石圈中的其它結構相比,LAB的界定更具挑戰性。

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 (LVZ)。這一低速區導致地震波能量的強烈損耗,很可能對應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。克拉通是大陸上最古老、最穩定的部分,此處巖石圈厚度最大,軟流圈發育不良。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)的地球化學數據的綜合研究表明,克拉通地區的巖石圈厚度約為 200～250 km[4-6]。

地震體波在穿越地球內部時經過組分不連續界面或相變區域,利用這一事實,地球內部其他主要邊界,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[10]。

接收函數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)的彈性能量轉換。這種方法能對間斷面的深度、速度跳躍的符號和幅值進行約束。利用接收函數已經確定在可能的 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下方約 80～110 km[13]。

大洋島嶼通常位于“異常”地幔之上,如較熱的地幔羽區域。海底地震臺站數量的嚴重不足導致無法對更具代表性的大洋盆地下方的 LAB進行探測。利用西太平洋海底的幾個低噪聲地震鉆孔觀測臺的長期觀測資料,Kawakatsu等觀測到了來自 LAB的高質量的 Ps、Sp轉換波[14]。LAB邊界非常清晰,說明此邊界并非由純熱源產生或僅由含水量增加引起。他們確信巖石的部分熔融現象肯定存在。此深度含水量的增大加速了巖石的熔融過程,這符合實驗預測結果[15]。

在大陸克拉通下方的預期深度也很難界定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提供了全球不同構造背景下的 Ps接收函數研究結果,這些構造包括大洋島嶼、活動或穩定的大陸地區。他們始終都能探測到一個與 LAB深度相對應的、明顯的負速度梯度。這一深度在大洋島嶼 (70±4 km)與構成大陸克拉通的前寒武紀地盾和地臺 (95±4 km)之間的變化非常小。另外,剪切波速度的降幅可達 6～9%,說明這種現象不可能僅僅是由于溫度或成分變化引起。

Rychert和 Shearer的研究引發了一些令人感興趣的問題。例如:他們發現的這個間斷面的性質是否是全球性的?是否因地而異?是否與 Kawakatsu等人在洋盆發現的一致?地盾和地臺下方 95 km附近的間斷面與LAB有什么關系?為什么在預期的 200 km深度很難探測到LAB?

應用臺站密集的長地震剖面 (LRSP)可以對大陸巖石圈進行高分辨率的研究,對比其研究結果,能夠解析不同地震波的特征。研究發現在約 100 km深度 (即 8°間斷面)壓縮波始終呈現負的速度跳變[18]。在更深處,地震波散射非常強烈,表明存在高低速夾層的精細分層結構,這可能與異質體的侵入(如流體侵入)有關[18]。這些特性很可能與Rychert和 Shearer發現的間斷面或者 Hales間斷面有關。

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隨深度變化的差異。近期全球層析成像模型的結果顯示了確定巖石圈-軟流圈邊界特性的難度。(a)對采自剖面的區域,用不同顏色標出大陸克拉通(實線)和海底地區(虛線)。黑線代表全球平均值。全球數據集并不相同,但在這兩種情況下,它們都包含了對上地幔剪切波速度非常敏感的長周期地震波形。這兩個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)對全球的平均數據進行擬合,同時保持速度隨深度光滑的變化[26]。(c)礦物學上非常有意義的(地幔巖)模型,顯示出更精細的深度變化[27]。這兩個模型中,在深度延伸至 200 km的范圍內,克拉通下方的波速都高于大洋地區的波速,而且波速隨深度增加而降低,海洋地區 100～150 km深度范圍內速度最低(與 Kawaka tsu等結果類似),克拉通地區 200～250 km深度范圍內速度最低。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速度梯度。另外,大陸和大洋地區下方約 100 km處都出現速度“傾斜”(Rycher t和 Shearer的結果中也有發現)。

應用 LRSP也能研究 8°間斷面之下的性質。在地盾區,LVZ的厚度較薄 (約 10～20 km);在其下方深至 200 km深度范圍內,地震波速度較高。相比較而言,在較年輕的大陸活動地塊,LVZ的延伸范圍更深。在克拉通地區,發現巖石圈局部區域的剪切波速度稍微偏低,其結果與近期剪切波層析成像的速度模型一致 (圖 1)。上述結果表明在大陸地區下方約 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處的負速度跳變歸于 LAB[20],但這種結論與面波及遠震的走時數據資料并不相符,而這些數據能更好地對上地幔的平均波速進行約束。更確切地說,似乎存在如下兩個明顯特征:一個起伏較小的 (構造活動區為 60～70 km,克拉通下方約為 100 km)負速度間斷面,此間斷面并非力學邊界;另一個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,克拉通地區為 200～250 km。在地盾和地臺區,LAB可能不是間斷面,這是因為LAB延伸的深度范圍較大,且可能與部分熔融無關,而與板塊底部所經歷的強烈剪切作用導致的各向異性變化有關。這種差異可以解釋為什么接收函數方法未能連續探測到此邊界。這一情形與 LRSP得出的一些結果[21]一致,也與在洋盆[22]和克拉通[23]下方LAB的預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下方的部分熔融和強各向異性地帶會出現交疊,這與 Kawakatsu等發現的部分熔融區在水平方向上延伸的觀點一致。

最后,Rychert和 Shearer的研究只考慮了 Ps轉換波,但大陸地區地殼較厚,地殼中強烈的多次反射波會掩蓋來自 200 km間斷面的地震信號。Sp轉換波方法則不存在這種缺陷[24]。目前地球透鏡計劃的流動臺陣已遍及洛磯山山前地區并進入北美地盾[25],因此面波、Ps和 Sp波接收函數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結構及其成因,今后在全球范圍內也有望取得類似成果。同樣,要進一步確認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寬頻帶洋底觀測臺進行持續觀測。

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