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杨庚等-JGR-SE:阿拉伯板块俯冲前缘形态与岩浆活动机制:来自Pn波衰减成像的启示
2024-01-16 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

伊朗高原经历了新特提斯洋俯冲和阿拉伯板块与欧亚大陆碰撞,发育广泛的新生代岩浆活动(图1a)。地质和地球物理观测表明,伊朗高原下方残存的新特提斯洋板片可能发生了断裂或拆离。然而,对板片断离的具体位置尚存在争议,因而难以对由此产生的岩浆活动进行约束,进而制约了对深部板片断离如何影响浅部陆陆碰撞过程的认识。通常采用地球化学方法测定地表岩浆岩的年龄和化学组分,利用地球物理观测方法获取深部较大尺度结构,从而判断地表火山活动的深部热物质来源。然而,对幔源岩浆如何从软流圈地幔运移至地表的直接观测非常困难。地震Pn波主要在上地幔顶部传播,其振幅衰减对上地幔顶部的温度和部分熔融非常敏感。因此,测量Pn波衰减特征能够有效约束俯冲板块前缘形态及热异常分布范围,从而对解决上述科学问题提供进一步的启示。

图1(a)伊朗高原新生代岩浆活动分布。Az: 阿尔博尔兹山脉;CI: 伊朗中部盆地;CS: 里海;KD: Kopet-Dogh山脉;LC: 小高加索山脉;Lut: Lut地块;Ma: Makran增生区;OS: 阿曼海;PG: 波斯湾;SSZ: Sanandaj-Sirjan变质带;Ta: Talesh山脉;UDMA: Urumieh-Dokhtar岩浆弧;ZFTB: 扎格罗斯褶皱推覆带。(b)地震事件和台站分布图。蓝色三角形代表 “中-伊伊朗高原地质地球物理综合探测(CIGSIP)”计划多期密集流动地震台阵位置

新京葡萄最新官网地球与行星物理重点实验室地震学学科组的博士研究生杨庚、导师赵连锋研究员、岩石圈演化国家重点实验室岩石圈演化动力学学科组陈凌研究员、美国加州大学圣克鲁兹分校的谢小碧研究员与其他合作者一起,基于“中-伊伊朗高原地质地球物理综合探测(CIGSIP)”计划多期密集流动地震台阵观测数据(图1b),联合其他区域台网数据,构建了伊朗高原及周边地区宽频带高分辨率(1°×1°)Pn波衰减模型(图2b-图2c)。根据这一Pn波衰减模型,进一步结合此前得到的Lg波衰减特征(图2d)(Yang et al., 2023),获得了上地幔顶部和地壳内不同深度处的热结构信息。

图2 伊朗高原上地幔顶部Pn波、地壳Lg波衰减成像结果。(a)不同地质块体-频率依赖性分析。灰色阴影覆盖的0.5-5.0 Hz被选做Pn波衰减模型的特征频带。(b)研究区内 0.5-5.0 Hz宽频带Pn波衰减模型。(c)伊朗高原内部上地幔顶部 分布的放大图像。(d)相应的伊朗高原内部地壳 图像(Yang et al., 2023)。黑色区域代表新生代Urumieh-Dokhtar岩浆岩出露的位置。扎格罗斯主逆冲断层(MZT)指示了两个大陆板块的缝合线,新特提斯洋板块沿着该缝合线俯冲至伊朗高原下方。缝合线的红色部分表示下方可能存在板片断离的区域(Agard et al., 2011)。低 和低 异常区L1和L2以及高 异常区H1和H2分别由黑红两色矩形框标记

结果表明,扎格罗斯造山带下方Pn波弱衰减异常勾勒出了阿拉伯板块俯冲前缘的边界,其西北部和东南部向俯冲方向延伸得更远(H1 和 H2),与速度成像揭示的深部板片断离位置吻合。因此,两侧突出的俯冲前缘形态很可能与深部板片断离后浅部阿拉伯板块的回弹现象有关,板块回弹使得俯冲前缘向前延伸,同时产生的挤压力也使得上覆地壳增厚(图4)。Lg波和Pn波强衰减所揭示的热异常与岩浆活动带具有良好的对应关系。UDMA西北和东南段下方的地壳和上地幔均较热(L1 和L2),与地球化学测定的更年轻岩浆活动相对应(图3)(Chiu et al., 2013),也与发生板片断离和大陆岩石圈回弹的位置吻合。因此,UDMA中新世-第四纪岩浆活动可能与板片断离引起的地幔上涌有关。软流圈热物质从板片断离的窗口上涌,进一步侵入地幔顶部和地壳,为地表年轻的火山活动提供热源和物源(图4)。地壳Lg波和上地幔顶部Pn波双层衰减模型为扎格罗斯造山带下方发生板片断离,阿拉伯大陆板块回弹,幔源热物质上涌和地表火山形成等不同深度的一系列动力学过程提供了较为统一和满意的解释。

图3 UDMA岩浆岩年龄分布及沿走向Q值变化。(a)UDMA岩浆岩年龄分布(修改自Chiu et al., 2013)。实线勾勒出年轻岩浆活动沿走向的年龄变化。(b-c)沿UDMA走向的 曲线。弱衰减和强衰减区分别用蓝色和红色表示。红色箭头表示与板片断离相关的地幔热物质上涌

图4 UDMA下方板片断离和地幔上涌示意图。在地壳衰减图像中,UDMA中的新生代岩浆岩分布填充为黑色。在UDMA西北部和东南部观察到埃达克岩,标记为矩形阴影区域。扎格罗斯主逆冲断层(黑线和红色虚线)代表两个大陆板块的缝合线,其中红色虚线表示可能发生板块断离的区域(Agard et al., 2011)。红色箭头表示地幔热物质从板片断离的位置上涌,侵入地幔顶部和地壳,为地表年轻的火山活动提供热源

研究成果发表在国际地学学术期刊JGR-Solid Earth(杨庚,陈凌, 赵连锋*,谢小碧, 姚振兴. Segmented up-bending of the Arabian continental plate revealed by Pn attenuation tomography[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2023, 128: e2023JB028062. DOI: 10.1029/2023JB028062.)。研究受到国家自然科学基金(91855207, U2139206, 41974054, 41974061)的资助。

 
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