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应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构

王晨阳  
【摘要】:海南及其邻区位于欧亚、印-澳、菲律宾海三大板块的交汇部位,自新生代以来,该区发生了10期59回次的火山喷发活动,形成了100余座火山,火山岩溶的分布面积达4000km~2。多种尺度的层析成像结果发现了海南地幔柱存在的迹象,对雷琼地区的地球化学研究也显示了海南火山的深源特征,地球物理和地球化学研究结果暗示海南火山不同于中国大陆的其它火山,可能是一种与夏威夷热点类似的火山。已有地震学研究对于海南地幔柱存在的范围及起源深度还有较大的争议。海南地幔柱的存在和深部结构特征对于理解南海及边缘盆地和石油资源的形成,乃至对周边板块俯冲的复杂动力学过程等问题的认识都有着非常重要的科学意义。地幔转换带是界于410-km和660-km间断面(简称‘410’和‘660’)之间 的区域,410和660是地幔中两个地震波速度不连续面,现在普遍认为410是由α相橄榄石转变为β相尖晶石引起的,其相变的克拉伯龙斜率为正,那么当温度升高(或降低)时,410的深度会相应下沉(或抬升);而660是由γ相尖晶石到钙钛矿加方镁铁矿相变引起的,其相变具有负的克拉伯龙斜率,这意味着随温度的升高(或下降),660的深度反而会随之抬升(或下沉)。当高温的地幔柱穿过地幔转换带时会使上地幔410-km和660-km间断面分别下沉和抬升,并导致地幔转换带厚度减薄。上地幔间断面深度及地幔转换厚度提供了地幔温度变化的重要信息,由此可以通过研究上地幔间断面形态和转换带厚度的横向变化确定地幔柱的存在,并研究它的范围和起源深度,这也是地球内部结构研究的前沿课题。 远震P波接收函数是三分量远震记录的垂直分量对水平分量作反卷积后得到的时间序列,避免了天然地震震源过程及传播路径等因素的影响,主要与台站下方的结构有关。接收函数方法是利用远震P波在台站下方地震波速度间断面处的转换波(Ps)与直达P波的到时差来研究相应间断面的深度,它是研究地震台站下方地壳、上地幔速度间断面结构的有效方法。本次研究应用海南、广东和广西区域数字地震台网及国家台网共88个宽频带地震台站记录的远震波形资料,从2007年8月到2010年3月记录的529个5.5级以上远震事件中精心挑选出75个P波初动清晰、信噪比较高的远震事件,采用频率域反卷积方法提取了4550条远震接收函数,对其中信噪比大于25的1842条接收函数进行动校正及共面元叠加。在频率域提取接收函数的过程中,我们应用了不同的高斯系数进行试算,并分别采用线性叠加和2次方根非线性叠加两种方法对信噪比大于25的接收函数进行叠加,结果显示,2次方根非线性叠加方法对含有更多高频信号的接收函数叠加可明显提高信噪比。 经上述大量的资料处理,本次研究得到了海南及其邻区上地幔间断面深度分布和转换带厚度的横向变化。结果表明,研究区410-km间断面形态复杂,局部下沉到447km,而660-km间断面相对简单,其深度分布在670km左右,海南岛东北部存在一个直径200km左右的转换带减薄区,其厚度较全球平均值薄25±5km,这相当于转换带中存在~180℃的高温异常。结合相关研究进行综合分析,我们认为上地幔间断面的深度变化及地幔转换带减薄暗示着高温的海南地幔柱存在于该区转换带中并起源于下地幔,这一结果为海南地幔柱的存在范围及起源深度提供了新的地震学证据。


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