科研成果
应用地幔转换带界面起伏约束俯冲板块脱水和热物质上涌
时间：2023年02月09日
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俯冲带通常代表海洋板块向大陆板块或者另一个海洋板块俯冲的汇聚板块边界，是地球表层物质向深部循环输运的重要通道和窗口，其过程引发的火山活动、地震、海啸等自然灾害常造成重大的生命和财产损失。俯冲带作为地球不同圈层间物质输运与循环的主要区域之一，一直是地球科学领域的研究热点和难点。
本研究聚焦的科学问题涉及海洋板块俯冲带下方地幔转换带含水量和地幔深部热物质上涌。1）岩石物理实验表明，地幔转换带的主要组成矿物，瓦兹利石和林伍德石具有高度的蓄水能力，但海洋板块及边界由于缺乏足够的地震台布设，地震学观测结果非常匮乏；2）俯冲带和地幔柱/热点（Morgan, 1971）被认为是物质穿过地球不同圈层（尤其是代表上地幔和下地幔过渡带的地幔转换带）的主要区域，而其他区域是否存在此类物质运移存在争论。
我所海底演化与动力过程团队与浙江大学地球科学学院联培博士生刘张聚（导师：李家彪院士）应用165个台站记录的被动源地震数据（数据量和覆盖度相比前人研究有显著提升），通过测量地幔转换带顶部和底部的两个速度不连续面（d410和d660，平均值分别在410 km和660 km的深度）的深度起伏，揭示爪哇俯冲带的速度扰动、温度扰动、和水含量等，可为俯冲板块深度、形态、脱水以及地幔上涌等提供约束。研究结果表明，1）此区域的地幔过渡带厚度比全球平均值厚约8 km，主要由俯冲板块造成，其已到达660 km的深度；2）龙目岛与松巴哇岛（Region A）异常薄的地幔转换带表明d660附近存在高达200 K的高温异常，这一热异常可能反映了地幔转换带底部的热物质上涌，即非热点区域也可能存在来自地幔深部的热上涌；3）爪哇西部（Region B）的地幔转换带含水量约1.0 wt.%，与板块脱水有关，其与西边毗邻的苏门答腊俯冲带研究结果一致（Kong et al., JGR, 2020）；4）爪哇东部（Region C）d410和d660同等程度的深度凹陷，可解释为穿过板块窗的环形地幔流引起的速度扰动造成的，与各向异性研究结果一致（Kong et al., JGR, 2022）。
相关成果于近期发表在国际知名地学期刊《Tectonophysics》，受国家自然科学基金（41890811，41976071，42025601）、浙江省科技创新领军人才项目（2019R52034）和广东南方海洋科学与工程实验室创新小组项目（珠海）（No.311021003）的联合资助。
图 1. (a) 爪哇俯冲带及其邻近区域地形图。三角形代表地震台站的位置，圆点代表震级大于4.0 Mw的地震震中，绿色箭头代表板块运动方向，黑色箭头代表海沟后撤，且后撤速率从西向东逐渐增加，黑色虚线椭圆为Kong等人(2022, JGR)标记的板块窗位置，红色箭头表示由板块回滚驱动的穿过板块窗的环形地幔流；(b) 圆圈代表接收函数叠加面元，其颜色代表接收函数条数，绿色曲线为俯冲板块等深线，背景色与蓝色等值线对应海底年龄。
图 2. (a) d410视深度空间分布；(b) d660视深度空间分布；(c) 地幔过渡带厚度起伏；(d) d410和d660的三维平滑曲面。
图 3. 爪哇俯冲带地幔转换带不连续面深度与所受动力学因素的二维(a)和三维(b)示意图，(a)中不连续面的深度为视深度，(b)中为真实深度。
文章信息：Liu, Z., Li, J. (李家彪)*, Kong, F. (孔凡圣)*, 2023. Topographic variations of mantle transition zone discontinuities in the Java subduction zone and adjacent regions from receiver function analyses. Tectonophysics 849, 229723. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2023.229723.
