基于上地幔三重震相和矿物物理模拟研究东亚俯冲带和青藏高原地区上地幔波速各向异性结构和动力学过程

Eastern Asia and Tibet Plateau are natural laboratories for us to study plate tectonics and mantle dynamics. Understanding mantle dynamics in these two regions is important for us to understand geodynamics in whole Earth interior. Velocity anisotropy originating from lattice preferred orientation (LPO) of mantle minerals provides information on orientation and geometry of mantle flow. Shear wave splitting and surface wave analysis are wildly used to study velocity anisotropy in the upper mantle, but the resolution along depth provided by these two methods is poor. Waveform modeling of upper mantle triplications can provide velocity structures with a high resolution along depth. We developed an synthetic waveform calculation code, which can handle anisotropic media. In this study, we use this code to waveform model upper mantle triplications in eastern Asia and Tibet Plateau to constrain anisotropy structures beneath these two regions. Joint with mineral physics modeling method, we analysis mantle dynamics in these two regions.

东亚俯冲带和青藏高原地区都是板块运动和地幔对流活跃区域，了解其地幔对流运动和动力学演化过程对我们了解地球的动力学演化有重要意义。地幔中的波速各向异性分布是反映地幔流方向和几何形状的重要数据。目前广泛使用的研究地球内部波速各项异性结构的横波分裂和面波分析方法在上地幔中沿深度方向的分辨率有限，因此这两个区域详细的地幔流动结构和动力学演化过程有待进一步研究。上地幔三重震相波形模拟可以提供很好的波速沿深度方向的分辨率，但目前常用的计算三重震相理论波形的方法无法应用于各向异性介质。我们已开发出可以应用于横向各项同性的各向异性介质中的理论波形计算方法。本项目中我们用该方法对青藏高原和东亚俯冲带区域的上地幔三重震相进行波形模拟来研究这两个区域的详细上地幔波速各向异性结构,并结合定量矿物物理模拟方法分析这两个区域地幔对流及动力学演化过程。

关于青藏高原地区的隆起和地壳增厚的动力学过程有很多假说，了解该地区上地幔波速及各向异性结构有助于我们了解该地区的动力学演化过程。东北亚地区处于太平洋板块向欧亚板块俯冲的俯冲带附近。该地区的上地幔波速各向异性结构对于我们了解俯冲带附近的地幔流方向、东亚俯冲带的动力学演化过程及它与华北克拉通的相互作用有重要意义。地震学上常用来研究波速各向异性的横波分裂和面波分析方法在上地幔区域深度分辨率不够，而三重震相的波形模拟具有很好的深度分辨率。我们用温联星研究组开发的计算VTI各向异性介质中传播的理论地震波形的程序对青藏高原东部及东北亚地区的切向和径向上地幔三重震相数据进行波形模拟得到了这两个区域上地幔S波波速和波速径向各向异性结构。而上地幔的波速各向异性主要来自于矿物晶体在地幔对流和板块运动压力作用下定向排列形成的晶格优选定向（LPO），是研究地幔流动方向和动力学过程的重要数据。前人对地震学得到的波速各向异性的解释多基于快波方向即地幔流动方向的假设，但根据矿物物理研究，在不同的围压、地幔温度、水含量的情况下，矿物会形成不同的LPO，因此波速各向异性性质和地幔流方向之间的关系十分复杂，随着深度、温度、水含量等因素而变化。我们根据Ohuchi et al. (2011, 2012)和Ohuchi and Irifune (2013, 2014)的一系列不同温度、压力、水含量条件下的橄榄石矿物各向异性性质的实验结果，总结了橄榄石多晶体在定向压力条件下LPO随温度、压力、水含量变化的规律；并且基于上地幔波速各向异性主要来自于橄榄石矿物的假设，建立了根据不同的地幔温度、压力、水含量条件计算地幔中波速各向异性性质的方法，从而可以在地震学得到的波速各向异性和地幔温压、水含量条件及地幔对流结构之间建立量化关系。我们用该矿物物理模拟方法对青藏高原东部和东北亚地区波速径向各向异性结构进行拟合，得到研究区域上地幔流动方向及地幔温度成分信息。