張周等-Gcubed: 通用巖石圈探測策略GC_SRF的提出及其所揭示的青藏高原東南緣巖石圈幾何結構不均一性

  
巖石圈底界(Lithosphere-Asthenosphere Boundary, LAB)是地球內部的一個主要間斷面,而近年來越來越多研究顯示在克拉通的巖石圈內部可能存在一個與巖石圈增生相關的間斷面(Mid-lithosphere discontinuity, MLD)。精確厘定LAB的深度和討論MLD的存在性特征,能為理解克拉通和造山帶的演化提供重要依據。巖石圈結構探測的主要地震學方法S波接收函數(SRF)的傳統處理流程中,常因人為設定參數而引入諸多不可控誤差。迄今在避免人為干預條件下獲取可靠SRF這一研究方向上,尚無一種全流程穩健且能被完整復現的通用策略。
針對SRF的提取問題,廣州地球化學研究所的博士生張周和鄧陽凡研究員提出了一種通用的估計策略——GC_SRF(圖1)。該策略通過網格搜索(Grid searching)和相關性分析(Coherence),可以精準確定SRF計算時的旋轉角度和時窗長度兩個主要參數,同時有效避免人為干擾的引入。通過對比分析,研究中選用30%的均方根誤差(RMSE)比例對SRF進行有效質量控制。理論測試表明,該方法能從全波場理論地震圖中恢復轉換于LAB的微弱地震信號,進一步結合偏移成像等方法能夠獲得清晰的巖石圈幾何形態。

圖1 GC_SRF策略流程圖
青藏高原東南緣的構造背景復雜(圖2),是研究青藏高原側向生長和物質逃逸的關鍵地區。該區已有研究展現出顯著爭議,例如,川滇地區區域的巖石圈在面波層析成像結果中顯示為高速異常區域,而在體波層析成像中卻顯示為低速異常,而體波衰減成像研究則表明四川盆地和川滇地區具有相同的低衰減特征。為探索青藏高原東南緣巖石圈的分塊體特征,本研究基于GC_SRF對其LAB以及MLD的幾何形態展開了精細成像。

圖2 研究區地形與基本構造及地震臺站分布圖。帶藍線的白色三角形代表本研究中使用的59個固定臺。黑色實線代表成像剖面A-A'的位置。深綠色的十字標志著100km處相應的Sp穿透點。紅色線條為地質邊界?;疑€條代表縫合帶。黑色弧形虛線勾勒出二疊紀峨眉山大巖漿省的內、中、外帶。TC: 騰沖火山。
利用GC_SRF可以在避免人為干預的前提下,最終獲得與此前鄰近區域一致的上地殼和巖石圈的不連續特征(圖3)。結果顯示四川盆地巖石圈厚度約為160km且在100km深度附近存在清晰的MLD,騰沖火山巖石圈厚度約為90km。四川盆地屬于古老的克拉通區域,其巖石圈相對較厚,而騰沖火山下方由于存在熱的地幔作用,其巖石圈相對較薄。值得注意的是,與四川盆地和騰沖火山相比,川滇地區下方的LAB卻無法從成像結果中清晰分辨。本研究認為川滇地區下方無法清晰識別的LAB指示了地幔柱作用下巖石圈改造后的重新生長特征,也正是這一復雜過程造成該地區復雜的地震波速結構、低衰減和高電導率等地球物理異常。
該研究分別從理論數據測試與實測數據研究兩個方面,共同論證了 GC_SRF策略的有效性。所提出策略可進一步被廣泛應用于其他重點地區以獲得巖石圈厚度信息,從而為理解巖石圈演化的動力學過程提供更多的地震學證據。

圖3 (a)測線A-A’的共轉換點(CCP)疊加結果和(b)疊后偏移成像結果圖。圖(a)中使用灰色虛線追蹤了轉換于LAB的深度震相SLp,圖的頂部顯示了每個疊加窗口(bin)中的SRF數量(實線)以及半窗寬度(虛線)。圖(b)底部子圖中的白色虛線表示LAB,(b)中的紅色虛線表示可能的巖石圈中部不連續面(MLD)。CD: 川滇地區; SCB: 四川盆地; TC:騰沖火山。
該成果發表在國際知名SCI期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems上。本研究得到國家自然科學基金 (41874106, 42104103, 42021002,和中科院青促會(YIPA2018385)等項目資助。
論文信息:
Zhang, Z. (張周) & Deng, Y.*(鄧陽凡) (2022), A generalized strategy from S‐wave receiver functions reveals distinct lateral variations of lithospheric thickness in southeastern Tibet. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 23, e2022GC010619, https://doi:10.1029/2022GC010619 .
 
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