全球独特的“马蹄形”班达弧的分层地幔流场:对超深海盆与俯冲板片演化的约束
作者:sio
时间:2024年03月27日
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班达弧-陆碰撞带位于东南亚环形俯冲系统的东南端(图1),受到欧亚板块、澳大利亚板块和太平洋板块的共同作用,地震活动活跃、构造模式复杂。经过班达湾海洋岩石圈的俯冲与回滚,海沟后撤以及澳大利亚板块碰撞等地质构造活动后,班达弧呈现出独特的马蹄形,包含外部无火山带弧形和内部火山带弧形。回滚与碰撞也造成俯冲板片异常弯曲~180°,呈现勺状形态,而且相比北部俯冲板片,南部较为陡峭,呈现南北不对称性。前人数值模拟研究指出,回滚的俯冲板片前端平躺在地幔转换带后,由板片拖曳软流圈引起的垂向流而造成的动态地形减弱,使得班达超深海盆地形正在回升,而此论断仍需地震学的进一步论证。班达弧-陆碰撞带的高汇聚率,加上高曲率的岛弧和俯冲板片,使其成为研究刚性岩石圈和塑性软流圈相互作用的理想场所之一,进而探讨班达超深海盆演化,及俯冲板片南北不对称性的影响因素。


图1(a)研究区域位置图。实心圈表示1980-2022年间发生5.0级以上地震的震中位置,绿色箭头表示GPS方向,红色箭头为基于NNR-MORVEL56模型的板块运动方向。(b)东南亚地区水深图。紫色三角形表示活火山位置。(c)前人各向异性参数结果。绿色三角形表示本研究中使用的固定台站位置。


海底科学实验室的海底演化与动力过程团队硕士研究生李斯佳(指导老师:孔凡圣研究员)等利用5台固定地震台站记录的约14年的宽频带地震数据,并应用近震S波分裂、远震XKS分裂和接收函数联合约束马蹄形班达岛弧下方不同深度层的各向异性结构,获得分层地幔流场,以约束上地幔动力学特征。本研究一共获得43对近震S波分裂参数,204远震XKS分裂参数(图2),以及一对地壳各向异性参数。


2近震S波(a)和远震XKS(b)波分裂结果。线段走向代表快波偏振方向,线段长度代表延迟时间(各向异性厚度和强度成正比)。灰色三角形表示具有分裂测量的台站位置。灰色等深线表示Slab2模型给出的俯冲板片深度。


通过分析快波偏振方向与绝对板块运动方向和海沟走向的相关关系(图3)、近震与远震分裂参数比较、分裂参数对地震波形频率依赖性、分裂参数与射线路径的相关性,以及地壳各向异性对XKS分裂的贡献等,我们提出了一个分层的地幔流模型,1)在地幔楔,澳大利亚板块拖拽俯冲板片,使得软流圈物质通过SANI站下方的俯冲板片边界进入地幔楔,形成平行于海沟走向的地幔流,地幔流动造成班达南部俯冲板片的形态更陡峭,从而形成不对称的勺形板片结构。2)在班达外弧的俯冲板块下方,存在双层地幔流,上层由澳大利亚板块运动驱动,下层受勺子型俯冲板片的调制,使得软流圈物质绕俯冲板片流动(图4)。强各向异性表征的水平地幔流动强,表明目前由板块俯冲引起的垂向粘性流动较弱,板片在地幔转换带的平躺削弱了垂直粘性流动和伴随的牵引力,因此本文结果支持班达海盆地形正处于回升状态的论断。


图3 (a)单层及两层各向异性的优势方向。蓝色和黄色分别表示上层和下层各向异性的优势方向。深红色箭头表示单层各向异性的优势方向。(b) 班达弧海沟走向与各向异性优势方向对比(图a虚线所示)。三角形和圆点分别表示SOEI和FAKI站观测到的上层和下层优势方向,星形表示SAUI站观测到的单层各向异性优势方向。绝对板块运动(APM)方向用水平虚线表示。

图4(a)马蹄形班达弧下方分层地幔流场示意图。地幔楔区(Flow A)和板块下方区域(Flow B)的地幔流动均与海沟走向平行。Flow B以XKS快波偏振方向与海沟平行为特征,与板片和运动有关。(b)地幔流场的深度剖面展示Flow C为澳大利亚板块运动引发的地幔流,方向与APM平行。


研究成果已在线发表于国际地学自然指数期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth。文章第一作者为李斯佳,通讯作者为孔凡圣研究员,共同作者包括美国密苏里科技大学的Stephen S. Gao教授 和Kelly H. Liu教授。本研究受国家自然科学基金(41890811)和浙江省自然科学基金(LR24D060001)等联合资助。

Li, S.(李斯佳), Kong, F.*(孔凡圣), Liu, K.H., & Gao, S.S. (2024). Layered mantle flow field associated with plate kinematics and slab modulation underneath the horseshoe-shaped Banda arc-islands. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027694.