基于台阵分析方法研究中下地幔小尺度异常体

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地球中下地幔深度范围内广泛分布着大量小尺度的弹性异常体,它们形态复杂、分布广泛,通常被认为和板块俯冲或地幔热物质上涌等大尺度地质构造活动有关。然而也有研究认为,中下地幔异常体的分布可能代表了某种全球性的特征,如:地幔化学成分或粘滞系数异常等。研究这些异常体的物理性质和分布规律将对我们厘清这些异常体的来源以及认识地球深部矿物组成和动力学演化历史提供重要的线索。本文首先针对西北太平洋鄂霍茨克海地区的深源地震,收集了欧洲、中国和美国三个地区密集地震台网的宽频带地震记录,将其按地理位置划分成孔径为5°至20°的子台阵,利用台阵分析方法提取出S-P转换震相,进一步利用偏移方法定位了一系列分布在千岛俯冲带中部和北部下地幔750~1650千米深度范围内的散射体。通过二维波形模拟确定了其中一个位于880千米深度上轻微倾斜的薄板状低速异常体的物理特征,其长度为~300千米、厚度为9-16千米、S波速度相比于周围地幔下降了 2.2%-3.6%。我们得到的异常体的深度以及S波速度和理论计算的洋壳中后斯石英相变造成的低速异常有较好符合,因此我们认为这些散射体可能代表了俯冲洋壳的残留物质,并对其来源提出了两种解释:(1)中生代南向俯冲的Izanagi板块的残留;(2)太平洋板块俯冲携带进入下地幔的物质异常。两种解释都意味着这一地区的中下地幔散射体和俯冲板块有着密切的联系。本论文还研究了 一个以前未有研究的PP前驱波中的“奇异”震相——PdpP震相(d代表反射体深度),它的到时在PP前20至50秒,慢度介于P和PP之间。为了探究其来源,我们收集了全球多个地区震中距在80°至130°之间的地震在中国地震台网的垂向分量宽频带数据。其中,通过台阵分析集中分析来自汤加-斐济地区的地震对应的观测信号,我们发现PdpP震相常常以一个慢度逐渐增加波列的形式出现,我们认为这反映了一系列的不连续界面或从地幔过渡带到中下地幔分布的散射体。通过计算波形相似系数(Semblance Coefficient),我们在这一地区定位了一系列的散射体。为了进一步分析和测试产生PdpP信号的散射体分布和物理性质,我们进行了二维波形模拟。模拟结果显示PdpP信号可能产生自一系列分布在700~1500千米深度范围内的小尺度散射体,而且确定了要产生可观测的PdpP信号则散射体尺度至少需要大于10~20千米,横向分布范围需要大于4000千米、深度分布范围需要大于300千米(700~1000千米)。它们可能代表了和板块俯冲有关的化学异常成分。进一步我们收集了来自全球的地震记录,并在多个地区观测到了 PdpP信号,由于该信号振幅较强,且对异常体分布有着一定的敏感性,对其全球分布特征的讨论将会极大地提升我们对中地幔异常体分布规律的认识。
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