东北深俯冲区410-km间断面速度结构及上地幔低速带探测

Located at the front edge of the subducting Pacific plate, Northeast China is one of the ideal locations to study the deep structure associated with subduction process and mantle dynamics. Waveform and relative travel time analysis in regional distances, where seismic triplication occurred, will be applied to obtain a high-resolution seismic model beneath NEChina. We're expected to achieve a fine-scale P and S wave velocity structures near the 410-km discontinuity, and detect the low velocity zone above the 410-km and its lateral distribution. We will integrate recent progresses obtained from seismic tomographic images, receiver function analysis and the large scale ScS multiple reflection waves, as well as the experimental results from mineral physics and geochemistry, to explore the source of such velocity abnormal, which will provide significant insights into the understanding of material differentiation and energy exchange through mantle, water circulation associated with subduction.

我国东北地区位于俯冲的西北太平洋板块前缘，是研究与俯冲有关的上地幔结构以及地幔动力学过程的最佳场所。本项研究将从地球深部结构入手，利用理论地震图波形拟合方法，通过对西北太平洋俯冲带中深源地震区域P、S波三重震相波形特征和走时的共同分析，来约束我国东北地区410-km间断面形态，P、S波速度结构和Poisson比异常等，勾画上地幔低速体存在的深度、空间展布范围，探寻410-km间断面顶部低速熔融层存在的地震学证据；结合已有的地震层析成像、接收函数、大尺度ScS多次反射波对间断面的约束，以及地球化学和矿物物理实验结果探讨该地区上地幔速度结构异常，特别是410-km顶部低速层形成的热或者化学成因，为理解在特殊的西太平洋俯冲构造环境下，地幔物质的交换和分异，地幔中水的循环等重要问题提供来自三重震相的地震学约束。

我国东北地区位于俯冲的西北太平洋板块前缘，是研究与俯冲有关的上地幔结构以及地幔动力学过程的最佳场所。410-km间断面是俯冲板片进入到地幔中首先遇到的重要不连续面，其对俯冲板片的结构和动力学响应，特别是410-km间断面上覆低速层是否存在、深度范围，表现形式和产生机理等问题，对理解地幔物质流动模式以及地球内部水循环等问题都有重要意义。. 本项目以410-km间断面结构及上覆低速层为目标，以理论地震图波形拟合及基于地震台阵技术的分析方法为手段，在以下几个方面展开了对上地幔低速层的探测：（1）利用理论地震图波形拟合方法，通过区域P波三重震相波形和走时特征获取了我国东北深俯冲地区410-km间断面附近速度结构，并探测到上覆低速层的存在；（2）开展了ScS多次反射波对间断面深度及410-km上覆低速层的探测研究；（3）尝试利用接收函数方法进行410-km上覆低速层的探测。. 通过P波三重震相对跨日本海及东北延边地区上地幔过渡带速度结构的约束，我们发现410-km间断面抬升至402 km，且间断面之上存在厚~ 47±12 km的低速层，低速异常最大可达~2%。该低速层可能代表了含水的硅酸盐熔体上移的上限或熔体相对于周围地幔由正浮力到负浮力的转折点，而太平洋板片俯冲带来的水则可能是导致硅酸盐熔融的原因。在ScS多次反射波探测中，我们在410-km间断面产生的正振幅反射波上方观测到了明显的负震相，通过对频率的分析认为该信号指示了410-km间断面之上存在的低速层。但该现象目前只在部分反射点上观测到，在空间上的分布也没有发现明显规律。对东北流动台阵远场接收函数波形的分析也表明在我国东北下方普遍存在410-km间断面上覆低速层。有关该低速层存在的空间范围、深度分布等仍需要综合以上采样不同区域、不同方法的研究结果进行判断，在形成机理的认识上也需要结合矿物物理学高温高压实验以及动力学模拟研究结果深入探讨。