超低速区(ULVZ,Ultra-Low Velocity
Zones)是核幔边界存在的一种结构异常。它最显著的特点是P波和S波的速度降最高能达到10%和30%,密度增加最高到10%左右。ULVZ在核幔边界呈零散分布,主要集中在大低速省周边,但偶尔也有分布在远离LLSVP的俯冲板片附近的。目前,ULVZ成因一般有部分熔融和成分变化两种。但单独的部分熔融不能解释ULVZ密度的增加。物质变化则存在多种成因,如地核中铁以及俯冲板片带下去的碳与下地幔物质的反应等。ULVZ无疑是核幔边界物质和热量交换的结果,其分布和特征受地幔对流的影响。所以,通过对ULVZ分布和特征的研究,也能反推核幔边界的动力学过程。

超低速区(ULVZ,Ultra-Low Velocity
Zones)是核幔边界存在的一种结构异常。它最显著的特点是P波和S波的速度降最高能达到10%和30%,密度增加最高到10%左右。ULVZ在核幔边界呈零散分布,主要集中在大低速省周边,但偶尔也有分布在远离LLSVP的俯冲板片附近的。目前,ULVZ成因一般有部分熔融和成分变化两种。但单独的部分熔融不能解释ULVZ密度的增加。物质变化则存在多种成因,如地核中铁以及俯冲板片带下去的碳与下地幔物质的反应等。ULVZ无疑是核幔边界物质和热量交换的结果,其分布和特征受地幔对流的影响。所以,通过对ULVZ分布和特征的研究,也能反推核幔边界的动力学过程。

全球地震层析成像的结果表明,在核幔边界附近,太平洋低速异常周围存在着清晰的高速异常体。这些高速异常体通常被认为是俯冲的古板块在核幔边界处的残余。然而由于传统层析成像方法对研究区域采样不够密集,并且分辨率有限的的问题,这些异常区域的的精细结构以及来源问题往往无法得到详细的描述。为解决这一问题,孙新蕾研究员和她的学生马晓龙与合作者,运用非传统的地震震相,即从核幔边界散射的PKP前导波,来进行研究。

全球地震层析成像的结果表明,在核幔边界附近,太平洋低速异常周围存在着清晰的高速异常体。这些高速异常体通常被认为是俯冲的古板块在核幔边界处的残余。然而由于传统层析成像方法对研究区域采样不够密集,并且分辨率有限,这些异常区域的精细结构以及来源问题往往无法得到详细的描述。为解决这一问题,中国科学院广州地球化学研究所研究员孙新蕾和她的学生马晓龙与合作者,运用非传统的地震震相,即从核幔边界散射的PKP前导波来进行研究。

中国科学院广州地球化学研究所孙新蕾课题组选取了太平洋LLSVP周边作为探索和发现ULVZ分布和结构特征的区域。一方面,太平洋周边地震活动和台站分布比较多,可选择的数据有保障;另一方面,太平洋LLSVP也是ULVZ研究比较多的区域,现有研究揭示,已经在其北部、东北部、南部等边界区域发现了ULVZ的存在。

中国科学院广州地球化学研究所孙新蕾课题组选取了太平洋LLSVP周边作为探索和发现ULVZ分布和结构特征的区域。一方面,太平洋周边地震活动和台站分布比较多,可选择的数据有保障;另一方面,太平洋LLSVP也是ULVZ研究比较多的区域,现有研究揭示,已经在其北部、东北部、南部等边界区域发现了ULVZ的存在。

他们综合分析了南极流动台站记录到的发生在勘察加半岛和阿留申群岛的PKP前导波信息,通过偏移成像以及对散射能量的拟合,发现产生这些PKP前导波的强散射体结构大体分布在北纬30-40°之间,深度在核幔边界之上400公里范围内。与前人研究所不同的地方在于,他们发现这些散射体的结构是非均一性的,存着横向不均匀性:散射体区域大致分为三部分:西部(140-160°E),中部(160-180°E),东部(180-200°E)。其中,中部区域的散射体呈现出1.0-1.2%的P波速度扰动,而两边的西部和东部区域速度扰动只有0.5%

利用ScS-S相对到时残差的方法对同样的区域进行了分析,研究组也得到了类似的分布趋势:中间区域的S波速度异常为2.0-3.0%,而两边的速度异常为1.0-1.5%
。综合以上结果,研究者认为这些散射体结构可能是古俯冲板块在核幔边界处的残余,而这种散射强度的横向不均匀性变化可能有两种原因导致:不同的俯冲板块导致的物质物性不同;同一板块内部组分在分异过程中分离出不同物质。

他们综合分析了南极流动台站记录到的发生在勘察加半岛和阿留申群岛的PKP前导波信息,通过偏移成像以及对散射能量的拟合,发现产生这些PKP前导波的强散射体结构大体分布在北纬30-40°之间,深度在核幔边界之上400公里范围内。与前人研究所不同的地方在于,他们发现这些散射体的结构是非均一性的,存着横向不均匀性:散射体区域大致分为三部分:西部(140-160°E),中部(160-180°E),东部(180-200°E)。其中,中部区域的散射体呈现出1.0-1.2%的P波速度扰动,而两边的西部和东部区域速度扰动只有0.5%
。利用ScS-S相对到时残差的方法对同样的区域进行了分析,研究组也得到了类似的分布趋势:中间区域的S波速度异常为2.0-3.0%,而两边的速度异常为1.0-1.5%
。综合以上结果,研究者认为这些散射体结构可能是古俯冲板块在核幔边界处的残余,而这种散射强度的横向不均匀性变化可能由两种原因导致:不同的俯冲板块导致的物质物性不同;同一板块内部组分在分异过程中分离出不同物质。

该课题组主要关注太平洋LLSVP东部ULVZ的分布和特征。因为之前受限于数据和所用方法,这个区域一直没有ULVZ的报道。更全面的太平洋LLSVP周边ULVZ的分布和特征,有利于对比不同的ULVZ和周边结构/动力学过程的关系,从而能更精确地理解ULVZ的成因。

该课题组主要关注太平洋LLSVP东部ULVZ的分布和特征。因为之前受限于数据和所用方法,这个区域一直没有ULVZ的报道。更全面的太平洋LLSVP周边ULVZ的分布和特征,有利于对比不同的ULVZ和周边结构/动力学过程的关系,从而能更精确地理解ULVZ的成因。

这项研究结果发表在SCI国际刊物Physics of the Earth and Planetary
Interiors上。

这项研究结果发表在SCI国际刊物Physics of the Earth and Planetary
Interiors
上。

在研究中,孙新蕾课题组采用了非传统的地震波,即PKP的前驱波。这种前驱波因为受核幔边界不均匀结构的影响,在穿过地核的PKP波之前到达,并且携带了核幔边界的结构信息(数据来自澳大利亚地震台阵记录到的南美的地震波信号)。

在研究中,孙新蕾课题组采用了非传统的地震波,即PKP的前驱波。这种前驱波因为受核幔边界不均匀结构的影响,在穿过地核的PKP波之前到达,并且携带了核幔边界的结构信息(数据来自澳大利亚地震台阵记录到的南美的地震波信号)。

图片 1
图片 2

Ma, X., Sun, X., Wiens, D.A., Wen, L., Nyblade, A., Anandakrishnan, S.,
Aser, R., Huerta, Wilson, T., 2016. Strong seismic scatterers near the
core-mantle boundary north of the Pacific Anomaly
. Phys. Earth Planet.
Inter.
, 253, 21-30.

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