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蔓足彻翁
5 years ago
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1 Deciphering the Lithosphere 揭秘岩石圈 Brian L.N. Kennett Research School of Earth Sciences, 地球科学研究学院 The Australian National University, 澳大利亚国立大学

2 2 Continental Lithosphere 岩石圈是地球圈层结构中可以随板块构造运动的外壳部分大洋岩石圈随板块运动不断循环, 而大陆岩石圈可以历经较长的地质时间尺度被保存下来大陆岩石圈记录了与其演化密切相关的一系列复杂的地球动力学过程基于地震深反射剖面的结果, 我们可以在地壳中看到古老的构造运动痕迹岩石圈地幔中也保留类似的结构特征, 但一般是比较大尺度的结构, 利用传统的反射地震学方法很难获得有效地约束

3 在有数据覆盖的地区, 由反射地震学方法获得的复杂的岩石圈地壳结构 3

4 4 Base of Lithosphere? 基于地球介质不同的物理性质, 岩石圈底界面有很多不同的定义, 例如 : 力学岩石圈 ( ~ 900 K) 地震学岩石圈热传导和热对流过渡带岩石学岩石圈 ( ~ 1500 K) 地幔包体泊松比变化底界面不一定是尖锐的

5 5 Seismic Lithospheric Probes 地震波衰减结构的变化绝对或相对地震波速的变化基于面波层析成像基于体波层析成像 ( 需要考虑垂向模糊性 ) 地震波速变化与温度等变化有关各向异性结构的变化接收函数 S 波接收函数避免浅层间断面多次波的干扰对间断面结构敏感基于台站叠加的自相关波形台站下方的 P 波反射信号

6 6 Scales of structure in Australia 大尺度结构的主要研究方法是面波层析成像, 横向分辨率大约为 200km 中等尺度结构来自澳洲东南部密集台阵的走时层析成像, 分辨率大约为 50km 精细的小尺度结构由台站叠加自相关方法获得的台站下方 P 波反射信号约束更精细尺度的结构信息来自长距离横向传播的 Pn, Sn 波的研究综合以上所有结果建立多尺度结构不均匀性模型

7 Broad-scale structure across Australia 7

8 Rawlinson et al. Lithos Regional Behaviour SE Australia 长波长的背景结构信息来自 AuSREM 模型 WOMBAT 台阵的 P 波层析成像结果揭示了克拉通到年轻的造山带等所有地质构造单元的中等尺度结构

9 9 Lithosphere Boundaries 岩石圈底界面一般不是尖锐的, 需要用其他观测近似表达, 例如 : 热传导到热对流机制改变的梯度过渡带我们可以假设岩石圈与软流圈过渡带 (LAT) 的上下边界与垂向 S 波波速的变化梯度一致较浅的边界由最大负变化梯度定义较深的边界由最小的绝对 S 波波速定义在岩石圈较薄的区域, 岩石圈的底界面近似为较浅的边界在岩石圈较厚的区域, 一般使用较深的边界表示

10 10 Character of LAT surface waves S 波速度和径向各向异性 Yoshizawa & Kennett (2015) GRL 125km 深度的水平剖面穿越不同年龄构造单元的两条垂向剖面 (21S 和 31S), 二者 LAT 的特征不同

11 11 Cratonic lithosphere 欧亚板块俄罗斯地区的核爆事件 (PNE) 记录显示 :P 波可以以很高的频率传播到很远的距离从印度尼西亚俯冲带传播到澳大利亚克拉通的地震波显示 : P 波与 S 波都有低频的起跳和后续很长的一段高频尾波更精细的特点与俯冲带系统中震源的位置有关, 但 P 波与 S 波一般都有几分钟的尾波信号散射能量被聚集在这里, 并可以传播很远的距离 e.g., Kennett & Furumura (2008) GJI

12 Ernabella Earthquake - NT 澳洲中部 2012 年 Ernabella 地震的记录显示 : 克拉通和非克拉通地区的地震波传播特点显著不同, 暗示二者的结构不均匀性不同 Cratonic paths to western Australia Non-cratonic paths to eastern Australia 12

13 Sustained high-frequency arrivals 13

14 Depth [km] 2D FDM Simulation with stochastic random heterogeneities Crust Mantle 1 Mantle 2 P/SV Wave 300. Movie Distance [km] Kennett & Furumura (2008) GJI 14

15 15 Distribution of Heterogeneity? 对欧亚板块核爆事件 (PNE) 产生的 P 波信号的大量研究表明 : 结构不均匀性有不同的类型 Fuchs, Wenzel Strong quasilaminate het. in upper mantle Nielsen & Thybo Strong lower crustal het. + Complex lvz 澳洲地区的 P 波和 S 波研究结果说明 : 至少 100km 深度以上, 可能存在结构不均匀性的改变 MLD 可能对应着结构不均匀性的改变

16 16 Further evidence for fine-scale heterogeneity 台站叠加自相关波形中提取的 P 波反射信号可以实现岩石圈软流圈过渡带的近垂直采样可以利用连续的波形或基于地震的波形信息与接收函数不同, 采样不依赖于转换波分布反射信号的采样集中在台站下方较窄的椎体区域

17 Kennett (2015) EPSL 17 P reflectivity on profile across northern Australia 基于连续记录的台站叠加自相关方法获得的复杂走时信息由 S 波接收函数获得的 MLD 与反射信号的变化一致

18 18 P reflectivity in Western Australia 由远震记录获得的台站叠加自相关波形反射信号的变化由自动增益控制方法 (Automatic gain control, AGC) 标出 Sun et al (2018) JGR

19 19 Nature of heterogeneity & LAT MLD 仍然是未知的, 而且不直接对应 P 波反射信号的变化有效的模型既包括岩石圈地幔顶部的局部分层式 (quasi-laminar) 的结构不均匀性也包括下地壳强烈的结构不均匀性 LAT 部分的结构不均匀性的变化与观测结果一致 LAT 部分的 S 波速度随深度降低, 但在澳洲大陆, 也有较低的衰减结构

20 20 Multi-scale heterogeneity I 全面的地震学岩石圈模型需要包含所有尺度的结构不均匀性大尺度 (>200 km) - deterministic 例如 :AuSREM 参考模型中等尺度 ( km) 小尺度 (<50 km) 小尺度结构需要使用随机性表示 (Stochastic representations), 具体由水平或垂向的相关长度决定

21 Multi-scale heterogeneity II Base structure from surface wave tomography - Horizontal scale length > 200 km Kennett & Furumura (2016) G-cubed 21

22 Multi-scale heterogeneity III Kennett & Furumura (2016) G-cubed Segment of multi-scale model 22

23 23 Multi-scale heterogeneity IV 多尺度模型的二维数值模拟 (132E) 震源深度 10km

24 24 Multi-scale heterogeneity V 31S 二维剖面的数值模拟结果 ( 震源深度是 10km) E AuSREM Model 2012 综合从大到小所有不同尺度的结构信息非常重要

25 25 Ernabella Eq Pilbara Array 沿澳洲克拉通传播的复杂地震波形举例整个台阵 P 波和 S 波的高频复杂尾波信号从澳洲中部传播到西北部的 PSAR 台阵 (12.17 deg 1350 km) 台阵的信号一致性 : P 波一致性较强 ; S 波一致性较弱

26 26 Ernabella Eq Pilbara: multi-scale simulation I 模拟的复杂波形与观测一致

27 27 Ernabella Eq Pilbara: multi-scale simulation II cc 多尺度模型模拟的台站间一致性与观测相似整个台阵的 P 波信号一致性较强, 但 S 波信号, 尤其是高频成分, 一致性较弱

28 28 Central Australia 穿越澳洲中部连接 WRA 和 ASAR 台阵的 BILBY 密集测线台站叠加的自相关获得的 P 波反射信号与接收函数的 CCP 叠加

29 MLD change in frequency of reflectivity Moho 来自 AuSREM 模型 LAT 来自 Yoshizawa (2014) PEPI MLD 利用 P 波反射信号的瞬时频率变化识别 IAG-IASPEI

30 30 Central Australia lithospheric discontinuities ASAR WRA MLD 与径向各向异性结构的变化比其与横波速度结构变化的联系更加密切 Yoshizawa (2014) PEPI

31 ASAR lithospheric discontinuities Migrated auto-correlation results 从南到北, 沿着整个 10 x10 km 的 ASAR 台阵,P 波反射信号在大约 90km 深度处有一致的变化 31

32 32 WRA lithospheric discontinuities 大约 90km 深度处 P 波反射信号的变化与 Ford et al. (2010) 利用 WRA 台阵的 S 波接收函数研究获得的 MLD 较为一致

33 33 Central Australia receiver based studies I 单台叠加自相关获得的 P 波反射信号 Sippl (2016) Tectonophysics 自相关波形获得的 P 波反射信号共反射点叠加接收函数 CCP 叠加

34 Central Australia receiver based studies II 自相关叠加和接收函数 CCP 叠加二者均利用了来自远震的走时信息并揭示相似的结构 Kennett & Sippl (2018) Tectonophysics 34

35 35 Simulations from multi-scale heterogeneity 真实速度模型平层速度模型结构不均匀性的采样主要集中在台站下方很窄的椎体区域结构模型在浅部可以近似成一维剖面, 但随深度增加小尺度精细的结构会被模糊

36 36 Apparent discontinuities 简化的结构可能由真实精细小尺度结构中波的多次干涉产生低频的 S 波接收函数信号用来解释 S 波速度的下降相比真实模型, 这可能是很强的假设注 : 小尺度精细的结构也对应有效的径向各向异性结构变化真实速度模型平层速度模型

37 37 Imaging finer-scale structure 多尺度模型数值模拟的自相关波形结果说明 : 1) 波形自相关方法可以约束小尺度精细结构 ; 2) 应用低通滤波可以获得简化的结构信息

38 Seismic - Geochemical heterogeneity I 38 穿越澳洲南部的地幔包体资料提供了组分分层的证据 (Gaul et al., 2003) 在该地区, 我们可以将台站叠加自相关获得的 P 波反射信号与精细结构直接做比较

39 Seismic - Geochemical heterogeneity II 尽管两种研究结果在时间 - 深度转换过程中都有一定误差存在, 但二者获得的岩石圈结构不均匀性有很好的一致性 from Gaul, O Reilly, Griffin (2003) Kennett, Yoshizawa & Furumura (2017) Tectonophysics 39

40 40 Conclusions 我们开始揭秘岩石圈地幔复杂的地震学特征认识所有尺度结构不均匀性是非常重要的, 浅显的简化是有问题的小尺度的精细结构可能与地球动力学和地球化学过程紧密相关非常小尺度的结构成像可能很难实现, 但我们可以获得重要的间接证据结构不均匀性特征的改变可能暗示着 MLD 的存在

41 41 Conclusions We have begun to decipher the complex seismic nature of the mantle Lithosphere It is important to recognise the full range of heterogeneity scales : apparent simplicity can be deceptive Fine-scale structure can be expected to link most closely to geodynamic and geochemical processes Direct imaging is not feasible at the smaller scales, but important indirect results can be achieved Changes in the style of heterogeneity may be an important contributor to the presence of mid-lithospheric discontinuities.

42 42 Acknowledgements Erdinc Saygin for his work on calculating stacked station autocorrelograms for Australian stations Kazunori Yoshizawa for the radially anisotropic model for the Australian region Takashi Furumura for collaboration on the development of the multi-scale heterogeneity model and numeric simulations Weijia Sun for discussions on lithospheric discontinuities and their detection Christian Sippl for the BILBY receiver function results Ping Zhang for help with rendering in Chinese

婴幼儿护理（六）.doc

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