巖石圈底界(Lithosphere-Asthenosphere Boundary, LAB)是地球內(nèi)部的一個(gè)主要間斷面，而近年來(lái)越來(lái)越多研究顯示在克拉通的巖石圈內(nèi)部可能存在一個(gè)與巖石圈增生相關(guān)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(jù)。巖石圈結(jié)構(gòu)探測(cè)的主要地震學(xué)方法S波接收函數(shù)(SRF)的傳統(tǒng)處理流程中，常因人為設(shè)定參數(shù)而引入諸多不可控誤差。迄今在避免人為干預(yù)條件下獲取可靠SRF這一研究方向上，尚無(wú)一種全流程穩(wěn)健且能被完整復(fù)現(xiàn)的通用策略。
針對(duì)SRF的提取問(wèn)題，廣州地球化學(xué)研究所的博士生張周和鄧陽(yáng)凡研究員提出了一種通用的估計(jì)策略——GC_SRF(圖1)。該策略通過(guò)網(wǎng)格搜索(Grid searching)和相關(guān)性分析(Coherence)，可以精準(zhǔn)確定SRF計(jì)算時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度和時(shí)窗長(zhǎng)度兩個(gè)主要參數(shù)，同時(shí)有效避免人為干擾的引入。通過(guò)對(duì)比分析，研究中選用30%的均方根誤差(RMSE)比例對(duì)SRF進(jìn)行有效質(zhì)量控制。理論測(cè)試表明，該方法能從全波場(chǎng)理論地震圖中恢復(fù)轉(zhuǎn)換于LAB的微弱地震信號(hào)，進(jìn)一步結(jié)合偏移成像等方法能夠獲得清晰的巖石圈幾何形態(tài)。
圖1 GC_SRF策略流程圖
青藏高原東南緣的構(gòu)造背景復(fù)雜(圖2)，是研究青藏高原側(cè)向生長(zhǎng)和物質(zhì)逃逸的關(guān)鍵地區(qū)。該區(qū)已有研究展現(xiàn)出顯著爭(zhēng)議，例如，川滇地區(qū)區(qū)域的巖石圈在面波層析成像結(jié)果中顯示為高速異常區(qū)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(qū)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(duì)其LAB以及MLD的幾何形態(tài)展開(kāi)了精細(xì)成像。
圖2 研究區(qū)地形與基本構(gòu)造及地震臺(tái)站分布圖。帶藍(lán)線的白色三角形代表本研究中使用的59個(gè)固定臺(tái)。黑色實(shí)線代表成像剖面A-A'的位置。深綠色的十字標(biāo)志著100km處相應(yīng)的Sp穿透點(diǎn)。紅色線條為地質(zhì)邊界。灰色線條代表縫合帶。黑色弧形虛線勾勒出二疊紀(jì)峨眉山大巖漿省的內(nèi)、中、外帶。TC: 騰沖火山。
利用GC_SRF可以在避免人為干預(yù)的前提下，最終獲得與此前鄰近區(qū)域一致的上地殼和巖石圈的不連續(xù)特征(圖3)。結(jié)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(qū)域，其巖石圈相對(duì)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(duì)較薄。值得注意的是，與四川盆地和騰沖火山相比，川滇地區(qū)下方的LAB卻無(wú)法從成像結(jié)果中清晰分辨。本研究認(rèn)為川滇地區(qū)下方無(wú)法清晰識(shí)別的LAB指示了地幔柱作用下巖石圈改造后的重新生長(zhǎng)特征，也正是這一復(fù)雜過(guò)程造成該地區(qū)復(fù)雜的地震波速結(jié)構(gòu)、低衰減和高電導(dǎo)率等地球物理異常。
該研究分別從理論數(shù)據(jù)測(cè)試與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究?jī)蓚€(gè)方面，共同論證了 GC_SRF策略的有效性。所提出策略可進(jìn)一步被廣泛應(yīng)用于其他重點(diǎn)地區(qū)以獲得巖石圈厚度信息，從而為理解巖石圈演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供更多的地震學(xué)證據(jù)。
圖3 (a)測(cè)線A-A’的共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)疊加結(jié)果和(b)疊后偏移成像結(jié)果圖。圖(a)中使用灰色虛線追蹤了轉(zhuǎn)換于LAB的深度震相SLp，圖的頂部顯示了每個(gè)疊加窗口(bin)中的SRF數(shù)量(實(shí)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(xù)面(MLD)。CD: 川滇地區(qū); SCB: 四川盆地; TC:騰沖火山。
該成果發(fā)表在國(guó)際知名SCI期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems上。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金 (41874106, 42104103, 42021002，和中科院青促會(huì)(YIPA2018385)等項(xiàng)目資助。
論文信息：
Zhang, Z. (張周) & Deng, Y.*(鄧陽(yáng)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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