地幔過渡帶界面成像解釋天山造山機制

　　天山是由晚古生代多陸塊拼貼而成，經歷了中生代到早新生代的夷平作用。但是在晚新生代，印度與歐亞大陸陸-陸碰撞的作用力通過塔里木克拉通傳遞到1500km外的天山，并在北側哈薩克斯坦地盾的阻擋下，天山迅速抬升。其陸內造山機制為地學界所關注，并相繼提出了諸如擠壓增厚、俯沖等動力學模式。由于其收縮量（小）和地殼增厚（小）的程度表明板塊間水平作用力下擠壓增厚和俯沖都不能很好地解釋天山的造山機制，因此，深部地幔與地殼間的垂向作用可能對天山抬升和造山的貢獻應被充分考慮。

　　通過研究地幔過渡帶（介于410km和660km相變界面之間，界面深度強烈依賴于溫度變化）厚度的變化，可獲得相應深度范圍的溫度異常信息，從而可用來研究上、下地幔間的物質交換（冷熱交換）。遠震P波穿過地幔過渡帶時，在兩個相變界面分別產生P-to-S轉換波，由于其偏振方向不同于原生P波，可通過接收函數方法分離出轉換波及其多次波序列（即接收函數），對多個接收函數疊加可增強來自410km界面和660km界面的轉換波。

　　傳統的接收函數方法研究地幔過渡帶厚度和界面起伏時，時深轉換和動校正疊加依賴于地殼、上地幔P波和S波速度模型的選取。速度模型的誤差可導致虛假的地幔過渡帶厚度變化和界面起伏信息。為了減小對地殼、上地幔速度模型的依賴，中科院地質與地球物理研究所青藏高原研究室深部物理場與動力學學科組田小波副研究員及其合作者提出了僅使用410km界面和660km界面的轉換波到時差的成像方法，結合體波走時成像的基本原理，通過射線交叉互相約束反演界面起伏。

　　他們將該方法應用于中天山，得到其下方兩個相變界面起伏圖像和地幔過渡帶厚度的橫向變化。相變界面的深度變化表明：天山東南緣下方的地幔過渡帶中低溫異常可能是深俯沖或拆沉的巖石圈板片；而其北緣下方的地幔過渡帶中的高溫異常可能是來自下地幔的熱柱。這一熱柱可能一直延續到天山中部的上地幔頂部，熱柱巨大的抬升作用，在垂向上促使天山強烈隆升，而其地殼卻未明顯加厚。

　　該項研究成果近期發表在國際知名地球物理研究期刊Journal of Geophysical Research（《地球物理學研究雜志》）（Tian et al. Mantle transition zone topography and structure beneath the central Tien Shan orogenic belt. Journal of Geophysical Research, 2010, 115, B10308, doi:10.1029/2008JB006229）。

圖1 臺站分布（a）和震源分布（b）

圖2 地幔過渡帶界面成像結構及其動力學解釋