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中国东北存在地幔柱吗?

已有 7980 次阅读 2011-4-11 19:41 |个人分类:SEDI|系统分类:科研笔记| China, Northeast, subduction, stagnant, slabs

中国东北存在地幔柱吗?

 

说明:日本海沟-中国东北地区,作为世界上最典型的stagnant slabs模型地区,成为板块俯冲动力学、地幔动力学研究的热点。太平洋板块的俯冲作用,对中国大陆尤其是中国东部地区的地质构造和岩浆活动等产生了深远的影响。不过最近也看到一些材料,存在着对中国东北地区(地幔)深部构造的不科学解释,夸大了一些地质作用和影响范围。本文主要根据近年来赵大鹏等人的地幔层析成像研究结果,对相关问题作一讨论。

 

本文主要结论:中国东北地区(以及中国东部),由于太平洋板块俯冲至上地幔地幔转换带受阻而停留在转换带中,受此影响,中国东北地区的相关地质活动(如火山作用、地震等),主要受上地幔中的俯冲脱水熔融和局部热流上涌作用影响,没有来自下地幔相关作用的明显证据,因此不存在太平洋夏威夷似的地幔柱活动。

 

关键词Northeast China, subduction, stagnant slabs, dehydration, upwelling, plume

 

 

 

1. 中国及临区主要的构造单元(Zhao et al.,2011. 说明:彩色指示地形的起伏变化,白线指示板块边界,灰色线指示大断裂以及区内主要的构造板块边界,黑色三角指示主要的火山

 

中国东北地区主要的构造单元可以参考相关的资料,本文不再赘述。伴随着太平洋板块的俯冲作用,自海沟(如日本东北海沟)向大陆方向,发育极好的沟--盆体系(图1),日本岛存在众多的火山(如富士山),往西则是弧后盆地(如日本海),在到达中国东北地区(朝--俄边界附近)时,俯冲板块已经到达地幔转换带(410km以下,图2)。

 

 

 

2. 东北地区构造地形简图(白线示太平洋板块俯冲深度)(Li and Niu,2010

 

对比图2中太平洋板块俯冲深度的梯度变化和图3中的地震分布,可以明显看到震源深度的分布与板块俯冲深度具有良好的一致性,尤其是深源地震的分布。例如最近东北地区发生深源地震,正是在该分布区域内。

 

 

 

3. 中国及临区地震分布图(黑色、蓝色和红色十字分别示0-100km100-300km300-700km的地震,见图下标示)(Zhao et al.,2011

 

沿北纬43度和39度一线的地震层析成像结果显示(图4),太平洋板块在俯冲进入地幔转换带以后,并没有直接穿过上下地幔边界,而是近水平地停留在转换带中,形成非常明显的高波速异常区(蓝色区)。

 

在俯冲太平洋板块之上,存在明显的低波速异常区(红黄色区),而这些低波速异常区之上,正好也是长白山火山以及渤海湾裂谷盆地所在位置。研究认为,这些板内火山作用和裂谷的发育,以及华北克拉通的减薄,与太平洋板块俯冲脱水引起的上地幔熔融作用以及局部热物质上涌作用密切相关。这也正是赵大鹏等提出的BMW模型(Big Mantle Wedge)。

 

 

 

4. 横穿中国东北(43ºN)和华北(39ºN)地区的地震层析成像结果(Huang and Zhao,2006

 

那么俯冲到中国东北(以及华北)地区之下的太平洋板块有没有继续俯冲到下地幔中呢?在图4中,我们看到俯冲板块是明显停留在转换带底部的,局部会稍微超过660km不连续面,不过并没有大范围进入下地幔中。对东亚地区更全面的地震层析成像结果见图5,覆盖了整个中国东部,从上地幔直到下地幔底部的结构均显示出来。我们可以看到中国东北及华北地区之下太平洋板块是俯冲停留在地幔转换带中的,并没有穿越660km不连续面沉入下地幔,一直到贝加尔湖地区(图52526剖面),仍在转换带中,与前人的研究结果一致。但是也可以看到下地幔中存在一些高波速异常,这些高波速异常代表着下地幔中的不均一性,也可能是沉入到下地幔中的古板块。

 

 

5. 东亚地区地震层析成像结果(Zhao et al.,2011

 

可见俯冲到中国东部地区的太平洋板块,并没有穿越660km不连续面而进入下地幔。与中国东部地区火山作用以及裂谷作用相关的流体主要来自太平洋板块的俯冲脱水作用,这些热物质上涌也主要来源于上地幔,停留在转换带中的太平洋板块就像一道屏障,阻碍了上下地幔的物质交换作用(6)

 

在中国东北地区(以及华北),地球物理并没有观测到有来自于下地幔物质活动的证据,也缺乏相关的地质学/地球化学证据。由于太平洋板块没有俯冲进入下地幔,在东北地区下地幔中也就不存在太平洋板块的进一步脱水而形成的流体作用。实际上,转换带的主要矿物瓦兹利石和林伍德石都具有相当高的含水性,而目前研究表明下地幔是极其干的环境,即使有脱水作用存在,在上下地幔边界由于巨大的矿物含水性差异,脱水作用会在上地幔底部/下地幔顶部发生,很难带到下地幔中,更不太可能由俯冲作用带到核幔边界脱水,因为在下地幔中没有一个很好的水的载体,即使是那些高密度含水镁硅酸盐相(DHMS)也不太可能稳定到下地幔底部(Ohtani et al.,2001)。既然没有来自下地幔的物质作用,也就不存在类似于夏威夷的地幔柱活动了。

 

 

 

6. 东亚地区地幔结构与动力学简图(示BMW模型)(Zhao et al.,2011

 

 

参考文献:

 

Huang, J. and Zhao, D., 2006. High-resolution mantle tomography of China and surrounding regions. J. Geophys. Res., 111(B9): B09305.

 

Li, J., and Niu F., 2010.  Seismic anisotropy and mantle flow beneath northeast China inferred from regional seismic networks, J. Geophys. Res., 115, B12327, doi:10.1029/2010JB007470.

 

Ohtani, E., Toma, M., Litasov, K., Kubo, T. and Suzuki, A., 2001. Stability of dense hydrous magnesium silicate phases and water storage capacity in the transition zone and lower mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 124(1-2): 105-117.

 

Zhao, D., Yu, S. and Ohtani, E., 2011. East Asia: Seismotectonics, magmatism and mantle dynamics. Journal of Asian Earth Sciences, 40(3): 689-709.



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