全球地幔衰减的三维模型:基于地震正常模式的研究

全球地幔衰减的三维模型:基于地震正常模式的研究

学术背景

地球内部的结构和动力学过程一直是地球科学研究的核心问题之一。地幔对流(mantle convection)是驱动板块运动、火山喷发和地震等现象的主要机制。然而,传统的地震层析成像(seismic tomography)模型主要依赖于地震波速度(wave velocity)的变化,难以区分地幔结构的热源(thermal origin)和成分源(compositional origin)。温度变化和成分变化通常以相同的比例影响压缩波和剪切波的速度,这使得仅依赖波速的模型在解释地幔结构时存在局限性。

为了进一步理解地幔对流的演化,研究人员需要结合地震波的衰减(attenuation)数据。衰减是指地震波在地球内部传播过程中能量的固有损失,它对温度、部分熔融、晶粒尺寸等物理性质敏感,但对成分变化的响应较弱。因此,衰减数据可以为地幔结构的热源或成分源提供新的约束条件。然而,目前全球范围内的三维衰减模型主要集中在上地幔(upper mantle),而对下地幔(lower mantle)的衰减研究仍然有限。

论文来源

这篇论文由 Sujania Talavera-SozaLaura CobdenUlrich H. FaulArwen Deuss 共同完成,分别来自 Utrecht UniversityMassachusetts Institute of TechnologyVassar College。论文于 2024年 发表在 Nature 期刊上,题为《Global 3D model of mantle attenuation using seismic normal modes》。

研究流程与结果

1. 研究目标与方法

本研究的目标是通过地震正常模式(seismic normal modes)构建全球地幔的三维衰减模型,以揭示地幔结构的热源和成分源。正常模式是地球整体的振动模式,能够捕捉到地球内部的大尺度结构变化。与体波(body waves)和面波(surface waves)不同,正常模式能够同时测量弹性(elastic)和非弹性(anelastic)结构的变化,从而避免了传统方法中因能量重新分布(如聚焦和散射)带来的误差。

研究采用了两步反演法: 1. 第一步:通过反演正常模式频谱(normal-mode spectra)测量分裂函数(splitting functions)。分裂函数描述了由于地球内部横向不均匀性(lateral heterogeneity)导致的频率分裂现象。研究人员测量了104次大地震的频谱数据,获得了16个非弹性分裂函数。 2. 第二步:利用这些分裂函数构建三维衰减模型。研究人员使用球谐函数(spherical harmonics)和B样条(B-splines)对模型进行参数化,最终得到了一个包含上地幔和下地幔的三维衰减模型。

2. 主要结果

上地幔的衰减特征

在上地幔,研究发现高衰减区域与低波速区域高度相关,表明这些区域的热源占主导地位。例如,大洋中脊(mid-ocean ridges)下方的地幔表现出高衰减和低波速的特征,这与之前的研究结果一致。这些结果表明,上地幔的衰减主要由温度变化驱动。

下地幔的衰减特征

在下地幔,研究发现了与上地幔相反的现象:高衰减区域出现在环太平洋地区(circum-Pacific region),而这些区域的地震波速度较高。相反,大型低剪切波速省(LLSVPs,Large Low Shear Velocity Provinces)表现出低衰减特征。通过与实验室数据对比,研究人员推测环太平洋地区可能是较冷且晶粒尺寸较小的区域,而LLSVPs则是较热且晶粒尺寸较大的区域。

矿物物理模型

为了进一步解释这些观测结果,研究人员使用了基于实验室数据的粘弹性模型(viscoelastic model)进行计算。结果表明,温度升高或晶粒尺寸减小会降低剪切波速度并增加衰减。环太平洋地区的高衰减和高波速特征可以通过较低温度和较小晶粒尺寸来解释,而LLSVPs的低衰减和低波速特征则可以通过较高温度和较大晶粒尺寸来解释。

3. 结论与意义

本研究首次构建了全球地幔的三维衰减模型,揭示了上地幔和下地幔衰减特征的显著差异。研究结果表明,上地幔的衰减主要由温度变化驱动,而下地幔的衰减则受到温度和晶粒尺寸的共同影响。这些发现为理解地幔对流的演化提供了新的视角,特别是LLSVPs作为长期稳定的地幔“锚点”(mantle anchors)的作用。

4. 研究亮点

  • 全球三维衰减模型:首次构建了包含上地幔和下地幔的全球三维衰减模型,填补了现有研究的空白。
  • 正常模式的应用:通过地震正常模式测量衰减,避免了传统方法中因能量重新分布带来的误差。
  • 矿物物理模型的结合:通过实验室数据和粘弹性模型,揭示了温度和晶粒尺寸对地幔衰减的影响。

5. 其他有价值的信息

研究还指出,LLSVPs的高粘度和粗晶粒尺寸使其成为长期稳定的地幔结构,这可能与地球早期的岩浆海洋(magma ocean)结晶过程有关。此外,环太平洋地区的高衰减特征可能与俯冲板块(subducting slabs)的积累有关,这些板块在进入下地幔时经历了相变(phase transformation),导致晶粒尺寸的重新调整。

总结

本研究通过地震正常模式和矿物物理模型的结合,揭示了全球地幔衰减的三维结构及其物理机制。这些发现不仅深化了对地幔对流演化的理解,还为未来的地球动力学研究提供了新的方向。