峨眉山大火成巖省的巖石圈結(jié)構(gòu):對地幔柱-巖石圈相互作用的啟示

陳赟 趙與同,3 劉佳樂,3 梁曉峰 李瑋 徐義剛

20世紀90年代初,Coffin and Eldholm (1991, 1992)基于南印度洋凱爾蓋朗高原(Kerguelen Plateau)、北大西洋沃靈邊緣(V?ring Margin)的地質(zhì)鉆探、地球物理勘探成果,提出了大火成巖省(Large igneous province, LIP)的概念,其最初定義為:起源于非一般海底擴張過程的、以鎂鐵質(zhì)噴出巖和侵入巖為主的大規(guī)模巖漿地殼侵位建造。此后,這一概念被廣為引用,并隨著相關(guān)研究在全球的廣泛開展而不斷修訂。目前關(guān)于大火成巖省的定義指標有所拓展和細化,主要包括:巖漿體量(噴出巖地表覆蓋面積通常大于0.1Mkm2,巖漿體積大于0.1Mkm3)、組分特征(以鎂鐵質(zhì)、超鎂鐵質(zhì)為主,也包括部分SiO2質(zhì)量分數(shù)大于65%的硅質(zhì)火成巖省)、噴發(fā)方式(一般在小于2Myr或5Myr內(nèi)集中噴發(fā),或者在數(shù)十百萬年內(nèi)多期脈沖式噴發(fā))、構(gòu)造環(huán)境(大地構(gòu)造或地球化學(xué)信號指示的板內(nèi)環(huán)境)等?，F(xiàn)有研究表明,大火成巖省的形成貫穿太古宙至今,形成環(huán)境涵蓋大陸/大洋板塊內(nèi)部、洋-陸過渡帶火山型被動陸緣,出露形式包括前寒武紀綠巖帶、大陸溢流玄武巖、大規(guī)模巖墻群(或其他鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體,以及與之伴生的硅質(zhì)巖、碳酸巖、金伯利巖等)、大洋高原、大洋盆地溢流玄武巖、無震海嶺或線性島鏈等(Coffin and Eldholm, 1994; Bryan and Ernst, 2008; Ernstetal., 2019)。

大火成巖省是地球上最強烈的、大規(guī)模火山噴發(fā)事件的產(chǎn)物(Bryanetal., 2010),一般認為如此短時、巨量的高溫巖漿作用與地幔柱活動有關(guān),并給超大陸裂解、礦產(chǎn)資源富集、全球環(huán)境變化與生物演化帶來深刻影響(Richardsetal., 1989; Campbell, 2005; Bryan and Ernst, 2008; Ernstetal., 2021)。因此,大火成巖省研究意義重大,涉及地球內(nèi)部運作機制、大陸生長與超大陸演化、大規(guī)模成礦、生物環(huán)境效應(yīng)等諸多前沿研究領(lǐng)域(Wignall, 2001; Morganetal., 2004; Xuetal., 2014a; Zhuetal., 2021; 徐義剛, 2002; 張招崇等, 2022),一直是國際地學(xué)界研究的熱點。地幔柱活動伴隨有顯著的高溫異常,其地球物理特征以熱效應(yīng)為主導(dǎo),因此地震波低速異常是地球物理探測現(xiàn)代地幔柱起源、分布、形態(tài)和巖漿作用過程的關(guān)鍵線索,在地幔柱學(xué)說的建立和發(fā)展過程中發(fā)揮了不可替代的作用(Montellietal., 2004; 徐義剛等, 2007)。但是對于形成年代久遠的大火成巖省,由于與之相關(guān)的地幔柱活動引起的熱效應(yīng)已經(jīng)耗散,導(dǎo)致在現(xiàn)代地幔柱探測中行之有效的、熱效應(yīng)主導(dǎo)的地球物理異常不再存在,而且由于板塊運動,賦存在巖石圈的大火成巖省與深部的地幔柱之間在空間上也不再對應(yīng),因此現(xiàn)今探測獲得的大火成巖省的深部地球物理異常不宜輕易與現(xiàn)今下伏深部地幔過程直接進行關(guān)聯(lián),從而為利用地球物理方法研究古地幔柱作用帶來了挑戰(zhàn)(Campbell, 2001; 徐義剛等, 2013)。然而,熱效應(yīng)的喪失卻有利于凸顯巖漿作用對巖石圈結(jié)構(gòu)和組分的改造效應(yīng),為利用地球物理方法探測古地幔柱作用提供了可能(陳赟等, 2017)。也正因為如此,在大火成巖省概念提出之初,地震學(xué)和重力學(xué)在識別大洋高原和被動陸緣大規(guī)模巖漿作用遺跡方面發(fā)揮了重要作用,但主要局限于地殼厚度異常、下地殼P波高速層、向海傾斜反射(Seaward Dipping Reflector, SDR)等(Hinz, 1981; Colwelletal., 1988; Coffin and Eldholm, 1994)。迄今為止,對古老地幔柱的識別,更多依據(jù)噴發(fā)前的地表隆升、放射狀巖墻群、巖漿組分特征、火山年代學(xué)等地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)信息(Campbell, 2001; Ernst and Buchan, 2003; Xuetal., 2004, 2007),深部地球物理在該方面的應(yīng)用潛力還有待探索。

我國境內(nèi)峨眉山、塔里木、天山、西藏措美等多個大火成巖省已列入最新的國際大火成巖省版圖(Ernstetal., 2021)。其中,峨眉山大火成巖省(Emeishan LIP, Emeishan Large Igneous Province)是我國境內(nèi)第一個獲得國際學(xué)術(shù)界廣泛認可的大火成巖省(徐義剛等, 2013),也是全球范圍內(nèi)研究起步較早、研究程度最高的大陸溢流玄武巖省之一(Bryan and Ferrari, 2013)。因此,針對該大火成巖省開展系統(tǒng)的地球物理研究,對于豐富和完善古地幔柱的地球物理探測方法,乃至探索地球物理由結(jié)構(gòu)/構(gòu)造探測走向巖性組分和動力學(xué)過程重建均具有重要的科學(xué)意義。為此,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所于2011—2013年橫跨三江構(gòu)造帶和峨眉山大火成巖省,沿福貢-麗江-會理-六盤水-貴陽一線,組織實施了包括人工源寬角反射/折射地震、寬頻帶流動地震臺陣、密集重力/地磁測量在內(nèi)的綜合地球物理剖面探測(圖1)。依托該綜合地球物理探測剖面,結(jié)合區(qū)內(nèi)大地電磁測深剖面,以及區(qū)域地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)研究成果,不僅系統(tǒng)地揭示了與古地幔柱作用有關(guān)的大規(guī)模巖漿活動導(dǎo)致的地殼結(jié)構(gòu)變化和組分異常的地球物理響應(yīng)特征(Chenetal., 2013, 2015; Dengetal., 2014, 2016; Liuetal., 2017; Lietal., 2020, 2021a; 徐濤等, 2015; 郭希等, 2017),而且圈定了大規(guī)模巖漿作用范圍、估算了巖漿體量(Lietal., 2021b),探討了其對巖石圈流變性的改造效應(yīng)以及對現(xiàn)今青藏高原深部過程的影響(Wu and Zhang, 2012; 王振華等, 2018; Lietal., 2021a; 陳赟等, 2017; 徐義剛等, 2017)。峨眉山大火成巖省的地球物理研究已引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注,目前已有越來越多的研究聚焦該區(qū)地殼上地幔物性/結(jié)構(gòu)特征與古地幔柱作用的關(guān)聯(lián),及其對現(xiàn)今地球深部過程的影響(Jiangetal., 2012, 2018; Qiaoetal., 2018; Huetal., 2023; Liuetal., 2021a; 王婕等, 2019; 任彥宗等, 2022),相關(guān)研究是近十年來我國火山學(xué)研究取得的標志性進展之一(徐義剛等, 2020)。

圖1 二疊紀峨眉山玄武巖分布及COMPASS-ELIP寬頻帶地震測線位置圖綠色所示為中-晚二疊世峨眉山玄武巖,紅色三角形所示為COMPASS-ELIP剖面寬頻帶流動臺站.測線橫跨三江構(gòu)造帶(TRZ, Three-River Zone)及峨眉山大火成巖省. 藍色虛線所示為基于峨眉山玄武巖下伏茅口組灰?guī)r的剝蝕程度而劃分的內(nèi)帶(INZ, Inner Zone)、中帶(IMZ, Intermediate Zone)、外帶(OTZ, Outer Zone)的分區(qū)界線,其中INZ所示區(qū)域剝蝕程度最大,對應(yīng)噴發(fā)前隆升幅度最大位置,推測對應(yīng)地幔柱頭沖擊巖石圈底部的位置(He et al., 2003). F1-怒江斷裂;F2-瀾滄江斷裂;F3-哀牢山-紅河斷裂;F4-麗江-小金河斷裂;F5-綠汁江-元謀斷裂;F6-小江斷裂;F7-師宗-彌勒斷裂;F8-水城-紫云斷裂;F9-遵義-貴陽斷裂;F10-鎮(zhèn)遠-貴陽斷裂. 右上角插圖中,紅色線條所示為COMPASS-ELIP剖面所在的東亞大地構(gòu)造位置;TP-青藏高原;ICB-印支塊體;YC-揚子克拉通;NCC-華北克拉通Fig.1 Location map of the Permian Emeishan basalts and COMPASS-ELIP broadband seismic array Green areas indicate the Middle-Late Permian Emeishan basalts. Red triangles indicate the broadband seismic stations of the COMPASS-ELIP experiment, which transected the Three-River Zone (TRZ) and Emeishan Large Igneous Province. The extent of erosion of the Maokou Formation, underlying formation of the Emeishan flood basalts, suggests a pre-volcanic crustal domal uplift and can be divided into three roughly concentric zones: the inner (INZ), intermediate (IMZ), and outer (OTZ) zones, delineated by the dashed blue lines. The INZ, where the erosion of the Maokou Formation is most intensive and thus the uplift is estimated to be the highest, is considered to be the impact site of the rising plume head (He et al., 2003). F1-Nujiang Fault; F2-Lancangjiang Fault; F3-Ailaoshan-Red River Fault; F4-Lijiang-Xiaojinhe Fault; F5-Lvzhijiang-Yuanmou Fault; F6-Xiaojiang Fault; F7-Shizong-Mile Fault; F8-Shuicheng-Ziyun Fault; F9-Zunyi-Guiyang Fault; F10-Zhenyuan-Guiyang Fault. The red line shown in the upper-right inset indicates the location of the COMPASS-ELIP profile in East Asia. TP-Tibetan Plateau; ICB-Indo-China Block; YC-Yangtze Craton; NCC-North China Craton

巖石圈地幔是地幔柱與巖石圈直接接觸并發(fā)生相互作用的區(qū)域,其結(jié)構(gòu)和組成對巖漿源區(qū)的熔融程度,以及巖漿產(chǎn)出量和組分特征都具有重要影響,是揭示地幔柱-巖石圈相互作用方式與機制的關(guān)鍵載體。本文旨在利用橫跨峨眉山大火成巖省的寬頻帶地震臺陣(COMPASS-ELIP)觀測資料(Chenetal., 2015; 陳赟等, 2017),開展S波接收函數(shù)成像研究,并與同剖面遠震S波成像(Liangetal., 2018)、區(qū)域面波層析成像(Lietal., 2013)結(jié)果進行對比,以進一步揭示該區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)特征,探討地幔柱-巖石圈相互作用方式與機制。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的數(shù)據(jù)來自峨眉山大火成巖省寬頻帶流動地震臺陣(COMPASS-ELIP)(Chenetal., 2015)。該剖面大致沿北緯27°東西向展布,全長近900km,包含59個寬頻帶流動地震臺站,分西線、東線兩期觀測。其中,西線(E01-E31),因怒山阻隔,E03、E04未布設(shè),實際布設(shè)29個臺站,觀測時間2010年11月—2011年11月;東線(E32-E61),實際布設(shè)30個臺站,觀測時間2011年12月—2013年4月。平均臺間距約15km,三江地區(qū)局部臺間距小于5km,使用的采集器型號為Reftek-130、拾振器型號為CMG-3ESP(50Hz～30s/60s)。剖面位于揚子克拉通西緣,橫跨三江構(gòu)造帶和峨眉山大火成巖省內(nèi)帶-中帶-外帶等主要構(gòu)造單元(圖1)。

接收函數(shù)為臺站下方介質(zhì)對近垂直入射到接收區(qū)的地震體波的脈沖響應(yīng),是研究地殼上地幔主要間斷面的主流方法之一(Vinnik, 1977; Langston, 1979)。相較于遠震P波接收函數(shù),遠震S波接收函數(shù)的Sp轉(zhuǎn)換震相不受殼內(nèi)多次波的干擾(Oreshinetal., 2002; Yuanetal., 2006; Kindetal., 2012),且比面波層析成像具備更好的界面識別及橫向分辨能力,因此在探測巖石圈-軟流圈邊界(LAB, lithosphere-asthenosphere boundary)方面具有獨特優(yōu)勢,可為認識巖石圈幾何結(jié)構(gòu)特征提供關(guān)鍵信息。

由于遠震S震相入射角度較大,可供利用的事件數(shù)量、空間探測范圍均相對有限,為充分發(fā)揮密集臺陣的觀測優(yōu)勢,本文利用三種遠震震相:S,ScS和SKS,震級Ms>5.0,對應(yīng)震中距范圍分別為60°～80°、50°～75°和95°～120°(Yuanetal., 2006)。除對震源參數(shù)做上述限制外,數(shù)據(jù)預(yù)處理包括震相到時估計與數(shù)據(jù)截取、去均值、去線性趨勢、帶通濾波(6～50s)、坐標旋轉(zhuǎn)等。其中,坐標旋轉(zhuǎn)包括兩步,第一步是將ZNE分量按大圓路徑假設(shè)旋轉(zhuǎn)到ZRT分量,第二步是利用入射角掃描方法(入射角0°～60°范圍內(nèi),以步長2°掃描),將ZRT分量旋轉(zhuǎn)到LQT分量,以獲得逼近真實入射角條件下的LQT分量,從而實現(xiàn)S波與P波的有效分離,用于后續(xù)接收函數(shù)計算(Kumaretal., 2006)。本文采用時間域迭代反褶積計算接收函數(shù)(Ligorría and Ammon, 1999),高斯系數(shù)為1.0,且將計算得到的S波接收函數(shù),統(tǒng)一進行時間軸及振幅極性反轉(zhuǎn),以便符合接收函數(shù)波形展示的一般習(xí)慣,即Moho面轉(zhuǎn)換波Smp具有正極性和正的相對到時。在入射角旋轉(zhuǎn)掃描過程中,選擇信噪比較高的接收函數(shù),且考察其波形極性與振幅變化的穩(wěn)定性和規(guī)律性。特別是根據(jù)當入射角逼近真實入射角時,0時刻直達S波振幅發(fā)生極性反轉(zhuǎn)而趨于最小、Moho和LAB界面Sp轉(zhuǎn)換波振幅同步趨于最大這一規(guī)律(Kumaretal., 2006; Huetal., 2011),開展人機交互質(zhì)量控制。最終挑選獲得有效S震相接收函數(shù)1327個,對應(yīng)有效遠震事件144個;ScS震相接收函數(shù)960個,對應(yīng)有效事件149個;SKS震相接收函數(shù)594個,對應(yīng)有效事件73個(圖2)。圖2展示了基于IASP91模型(Kennett and Engdahl, 1991)計算有效接收函數(shù)在150km深度處的穿透點位置,可見穿透點主要沿測線兩側(cè)密集分布,但有部分射線參數(shù)較大的接收函數(shù),穿透點偏離測線距離較大。為盡可能保證數(shù)據(jù)的采樣空間與測線所在位置基本一致,特別是為了保證對峨眉山大火成巖省巖石圈地幔的有效探測,本文僅選取穿透點距測線水平距離100km范圍內(nèi)(圖2中黑色十字所示)的有效接收函數(shù)進行滑動平均疊加、共轉(zhuǎn)換點疊加成像等后續(xù)研究。

圖2 遠震事件及Sp轉(zhuǎn)換波穿透點位置圖紅色三角形所示為COMPASS-ELIP測線寬頻帶流動臺站.紫色、綠色、藍色圓圈分別代表S、ScS、SKS震相接收函數(shù)Sp轉(zhuǎn)換波在150km深度處的穿透點位置. 黑色十字標識用于成像的S波接收函數(shù)穿透點范圍,其距測線水平距離100km,相鄰十字間距50km. 左下角子圖中不同顏色圓圈分別代表遠震S、ScS、SKS震中位置,紅色三角代表臺陣位置Fig.2 Location map of the used teleseismic event and the piercing points of the useful Sp phases at 150km depth Red triangles indicate the broadband seismic stations of the COMPASS-ELIP experiment. Circles show the piercing points of the Sp phases at 150km depth, and different colors represent those of the useful receiver functions corresponding to S, ScS, and SKS phases, respectively. Black crosses indicate the range of the piercing points of receiver functions used for imaging in this study. The cross-to-cross space is 50km, and the lateral cross-to-profile space is 100km. The lower-left inset shows the distribution of teleseismic events of S, ScS, and SKS phases

2 成像結(jié)果

對獲得的S波接收函數(shù)進行統(tǒng)一的動校正(參考射線參數(shù)ρ=6.4s/°)處理(Yuanetal., 1997),以Sp轉(zhuǎn)換波在150km深度的穿透點位置為線索(圖2所示),以100km(沿測線方向)×200km(垂直測線方向)面元、50km步長沿測線進行滑動平均,求取沿測線平均S波接收函數(shù),并基于IASP91模型進行時間-深度轉(zhuǎn)換,如圖3所示。

圖3 S波接收函數(shù)滑動平均疊加剖面經(jīng)動校正后,基于150km深度處穿透點分布,按等間距面元滑動疊加獲得的沿剖面S波接收函數(shù). 面元大小為100km(沿測線方向)×200km(垂直測線方向),滑動步長為50km. 剖面下方數(shù)字為每個疊加單元內(nèi)參與疊加的S波接收函數(shù)數(shù)量.左側(cè)坐標為相對到時,右側(cè)坐標為基于IASP91模型進行時間-深度轉(zhuǎn)換后的深度坐標. 虛線標識了本文識別的Moho面、巖石圈中部不連續(xù)面(MLD)和巖石圈-軟流圈邊界(LAB)等巖石圈內(nèi)部主要間斷面. LXF-麗江-小金河斷裂;LYF-綠汁江-元謀斷裂;XJF-小江斷裂;SZF-水城-紫云斷裂Fig.3 S wave receiver function profile in time and depth domains Stacked S wave receiver function profile is obtained by the stacking of move-out corrected traces in 100km×200km moving bins along the profile with an overlapping step of 50km on the location’s space of the piercing point at 150km depth. The numbers at the bottom denote the numbers of stacked receiver functions for each bin. The time-depth conversion is based on the IASP91 model. The Moho, mid-lithospheric discontinuity (MLD), and lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) signatures recognized here are marked by dashed lines. LXF-Lijiang-Xiaojinhe Fault; LYF-Lvzhijiang-Yuanmou Fault; XJF-Xiaojiang Fault; SZF-Shuicheng-Ziyun Fault

由圖3可見,沿剖面在相對到時5～8s處(對應(yīng)深度40～70km),存在一組連續(xù)可追蹤的強正極性震相(極性反轉(zhuǎn)前為負極性),其相對到時存在明顯的分區(qū)性,三江地區(qū)到時約為6s,對應(yīng)深度約48km;內(nèi)帶下方到時最晚,范圍為6～8s,對應(yīng)深度約為50～70km;中帶下方到時相對穩(wěn)定,約為6.5s,對應(yīng)深度約55km;外帶下方到時有變化,范圍為5.0～6.0s,對應(yīng)深度約40～50km。整體變化趨勢與P波接收函數(shù)成像揭示的地殼厚度變化特征基本一致(Chenetal., 2015)。因此,本文將其識別為Moho面轉(zhuǎn)換波Smp震相。在Moho面轉(zhuǎn)換震相后,可見明顯的Sp負震相(極性反轉(zhuǎn)前為正),其分布與延續(xù)性相對復(fù)雜,在中帶-外帶下方更為突出,呈現(xiàn)出兩組強負震相,到時分別為11s和17s左右,對應(yīng)深度分別為100km和170km,結(jié)合后續(xù)綜合分析,認為前者對應(yīng)巖石圈地幔中部間斷面(MLD),后者對應(yīng)LAB。但在內(nèi)帶下方,只有單組可連續(xù)追蹤的負震相,到時為12.5s左右,對應(yīng)深度約110km,結(jié)合后續(xù)綜合分析,認為其對應(yīng)LAB。

為了更好地刻畫巖石圈內(nèi)部主要間斷面的橫向展布特征,本文基于IASP91模型對S波接收函數(shù)進行CCP疊加成像(Yuanetal., 2000; Zhu, 2000);同時,本文還將基于同一剖面觀測資料開展遠震S波有限頻層析成像獲得的速度擾動結(jié)構(gòu)(Liangetal., 2018),以及東亞大陸區(qū)域面波層析成像獲得的S波速度結(jié)構(gòu)(Lietal., 2013)進行對比(圖4a-c),以便準確識別巖石圈內(nèi)部主要間斷面,從而揭示巖石圈結(jié)構(gòu)沿剖面橫向變化特征:

圖4 S波接收函數(shù)CCP疊加成像結(jié)果及上地幔S波速度結(jié)構(gòu)(a)本文獲得的S波接收函數(shù)CCP疊加成像結(jié)果, 最上方為沿COMPASS-ELIP測線臺站分布、地形與構(gòu)造分區(qū);(b)遠震S波有限頻層析成像重建的同剖面地幔S波速度結(jié)構(gòu)(Liang et al., 2018);(c)沿剖面截取的區(qū)域面波層析成像結(jié)果(Li et al., 2013).虛線標識了本文識別的Moho面、MLD和LAB等巖石圈內(nèi)部主要間斷面,可見除區(qū)域面波層析成像結(jié)果在內(nèi)帶只顯示整體低速特征外,速度結(jié)構(gòu)特征與識別的主要間斷面之間,存在較好的一致性. ARF-哀牢山-紅河斷裂;構(gòu)造分區(qū)和其他斷裂帶英文縮寫,含義同圖1和圖3Fig.4 CCP staking images of S wave receiver functions and S wave velocity structures of the upper mantle along the profile(a) CCP stacking image of the lithospheric geometry derived from S wave receiver functions. The stations of the COMPASS-ELIP experiment and topography along the profile are shown in the upper panel. (b) S wave velocity of the upper mantle along the same profile derived from teleseismic S wave finite frequency tomography (Liang et al., 2018). (c) S wave velocity along the profile extracted from the model for East Asia (Li et al., 2013). The Moho, MLD, and LAB signatures recognized here are marked by dashed lines. ARF-Ailaoshan-Red River Fault; other abbreviations for zones and faults are the same as those shown in Fig.1 and Fig.3

(1)Moho面是巖石圈內(nèi)部相對易于準確識別的界面。盡管S波接收函數(shù)分辨率較低,但50～70km深度顯著的、可連續(xù)追蹤的正極性(反轉(zhuǎn)前為負極性)震相(圖4a),清晰地刻畫了沿剖面地殼厚度的起伏變化,即內(nèi)帶地殼厚度最厚,約為60～70km,中帶地殼厚度約為50km,外帶地殼厚度小于50km;且在LYF(綠汁江-元謀斷裂帶)、SZF(水城-紫云斷裂帶)等斷裂帶下方,Moho面振幅較弱,意味著該區(qū)殼-幔間斷面呈梯度形式過渡。整體上,CCP疊加成像獲得的地殼厚度變化(圖4a),與沿測線滑動平均結(jié)果(圖3)之間保持了很好的一致性;除內(nèi)帶局部地區(qū)在具體深度上不盡一致外,與遠震S波層析成像(圖4b)、區(qū)域面波層析成像(圖4c)揭示的殼-幔速度間斷面之間保持了很好的一致性。

(2)結(jié)合遠震S波層析成像和區(qū)域面波層析成像結(jié)果(圖4b, c),中帶-外帶的巖石圈厚度應(yīng)為170km左右,而CCP疊加成像剖面上(圖4a),170km深度附近也恰存在顯著的、可連續(xù)追蹤的負極性(反轉(zhuǎn)前為正極性)震相,因此本文將CCP疊加成像剖面上約170km深度上的負極性震相識別為LAB。向西,在中帶局部地段(東經(jīng)103.5°～104.5°)此震相出現(xiàn)中斷,在遠震S波成像剖面上(圖4b),該地段同深度范圍出現(xiàn)明顯的傾斜低速異常(異常幅值遠超-1.5%);與此同時,在區(qū)域面波層析成像剖面上(圖4c),相同地段也出現(xiàn)局部層狀低速異常(S波速度低于4.4km/s);繼續(xù)向西,往內(nèi)帶和三江構(gòu)造帶方向,此強負極性震相再次出現(xiàn),且整體呈現(xiàn)上隆特征,頂端大致對應(yīng)內(nèi)帶中心(深度約110km),其西側(cè)(三江構(gòu)造帶)下方對應(yīng)深度約170km,其東側(cè)(內(nèi)帶-中帶過渡部位)下方對應(yīng)深度也為170km左右,此界面與速度結(jié)構(gòu)變化特征保持很好的一致性,因此,本文將其識別為LAB。

(3)除上述識別出的Moho和LAB界面外,在內(nèi)帶和外帶下方約100km深度處,分別存在兩段(中斷于中帶-外帶過渡處)強的負極性震相,盡管此震相緊鄰Moho面震相,存在為Moho面震相旁瓣的可能(圖3、圖4a),但考慮到遠震S波層析成像、區(qū)域面波層析成像結(jié)果相應(yīng)深度也確存在速度結(jié)構(gòu)分層(圖4b, c),因此本文將其識別為MLD。

(4)此外,220km深度也存在局部負極性震相(圖4a),特別是遠震S波成像剖面的同深度處,恰存在比較清晰的高-低速分界面(圖4b),但區(qū)域面波層析成像結(jié)果在內(nèi)帶只顯示整體低速特征,不存在內(nèi)帶高速異常及分層現(xiàn)象,可能與區(qū)域面波成像的分辨率不足有關(guān)(圖4c)。如果此220km深度界面確實存在,則意味著內(nèi)帶下方巖石圈地幔經(jīng)歷了多期改造。

總體來看,峨眉山大火成巖省的巖石圈結(jié)構(gòu)存在顯著的橫向變化,Moho面和LAB起伏明顯,但規(guī)律性較強。地殼最厚、巖石圈最薄處均出現(xiàn)在內(nèi)帶巖石圈地幔高速異常區(qū),內(nèi)帶存在15～20km的地殼增厚、50km左右的巖石圈減薄,且內(nèi)帶巖石圈地幔經(jīng)歷了復(fù)雜的演化過程。

3 討論

COMPASS-ELIP流動地震臺陣,是首次具體針對峨眉山大火成巖省主體而組織實施的線性地震臺陣觀測,相對川滇地區(qū)已有的大量殼幔結(jié)構(gòu)研究,在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面具備臺站密集且信號頻帶寬、探測目標針對性強、異常特征可追蹤性佳等優(yōu)勢。因此,為了整體刻畫峨眉山大火成巖省巖石圈內(nèi)部主要間斷面形態(tài),本文整合COMPASS-ELIP剖面P波接收函數(shù)成像獲得的地殼結(jié)構(gòu)(Chenetal., 2015)和本文S波接收函數(shù)成像刻畫的巖石圈地幔結(jié)構(gòu),給出了沿剖面巖石圈幾何結(jié)構(gòu)的主要特征(如圖5a所示)。本文的S波接收函數(shù)成像結(jié)果顯示,內(nèi)帶巖石圈相對于中帶和外帶發(fā)生了顯著減薄,減薄幅度約50km,且LAB呈現(xiàn)上隆特征,其頂點位置巖石圈厚度約為110km(圖3、圖4a),接近中帶、外帶識別的MLD深度(～100km)。與研究區(qū)新近代表性研究結(jié)果對比,如Zhang and Deng (2022)基于騰沖-四川盆地剖面的S波接收函數(shù)成像研究,結(jié)果顯示中帶、外帶發(fā)育MLD(深度約100km),且LAB在內(nèi)帶突然變淺(由中帶大于150km減小到內(nèi)帶110km左右);Huetal.(2023)利用S波接收函數(shù)給出的川滇地區(qū)巖石圈厚度變化,顯示內(nèi)帶巖石圈厚度為70～110km,而三江構(gòu)造帶為140～170km、中帶為130～170km,本文剖面所在區(qū)域的變化趨勢與他們的研究結(jié)果基本一致。

圖5 峨眉山大火成巖省巖石圈幾何結(jié)構(gòu)及地幔柱-巖石圈相互作用解釋圖(據(jù)徐義剛等, 2017修改)(a)峨眉山大火成巖省巖石圈結(jié)構(gòu)的主要特征,其中殼內(nèi)結(jié)構(gòu)基于COMPASS-ELIP剖面遠震P波接收函數(shù)成像獲得(Chen et al., 2015),巖石圈地幔結(jié)構(gòu)基于本文遠震S波接收函數(shù)成像獲得;(b)根據(jù)巖石圈結(jié)構(gòu)特征進行地質(zhì)解釋,獲得的二疊紀地幔柱-巖石圈相互示意圖. 其中,UI為高速下地殼指示的巖漿底侵層頂界面,CD為康拉德不連續(xù)面(上地殼底界面),CB為水城-紫云裂陷槽沉積層底界面. 除估算的古地形隆升幅度外,巖石圈內(nèi)部主要界面均從接收函數(shù)成像結(jié)果提取并按比例尺顯示Fig.5 The lithospheric geometry of the Emeishan LIP and its interpretative cartoon (modified after Xu et al., 2017)(a) the lithospheric geometry along the COMPASS-ELIP profile delineated by the seismic signatures that were extracted from the migrated images of the P (Chen et al., 2015) and S wave receiver functions in this study; (b) the interpretative cartoon demonstrating the ancient plume-lithosphere interaction. UI: Underplating interface; CD: Conrad discontinuity; CB: Crystalline basement. All the interfaces within the lithosphere are shown with strict scales except for the estimated ancient surface topography

3.1 地幔柱-巖石圈相互作用與內(nèi)帶巖石圈減薄

目前有兩種端元模型用于描述地幔柱-巖石圈相互作用方式(Kentetal., 1992; Saundersetal., 1992; Xuetal., 2014b):(1)“地幔柱頭熔融”模式,這一模式認為,地幔柱快速上升沖擊上覆巖石圈底部,高溫柱頭與巖石圈底部發(fā)生強烈的熱-機械/熱-化學(xué)侵蝕作用,導(dǎo)致上覆巖石圈發(fā)生顯著減薄,從而引起地幔柱頭部發(fā)生高程度減壓熔融,熔體大規(guī)模穿透巖石圈并噴出地表;(2)“地幔柱孕育”模式,與前者不同的是,受地幔柱自身條件(如潛溫不高、揮發(fā)份含量不足等)以及上覆巖石圈的厚度、流變強度、年齡、組分、運動速度等影響,導(dǎo)致地幔柱頭的垂向侵蝕作用有限,無法短時間突破巖石圈阻擋而只能長期潛伏于巖石圈之下,引起上覆巖石圈發(fā)生部分熔融;或通過柱頭的橫向擴展,最終在先存的、側(cè)向構(gòu)造薄弱部位發(fā)生高程度熔融,觸發(fā)一定規(guī)模的、類似“地幔柱頭熔融”模式的巖漿作用過程?，F(xiàn)有的地質(zhì)、巖石地球化學(xué)研究,已從峨眉山玄武巖噴發(fā)前的地殼隆升、高溫原始巖漿、巖漿的地球化學(xué)性質(zhì)空間分布特征,以及極短的巖漿作用持續(xù)時間等(Heetal., 2003; Chung and Jahn, 1995; Zhangetal., 2006; Xuetal., 2004, 2001; Zhongetal., 2014; 張招崇等, 2006),系統(tǒng)地支持或論證了地幔柱與內(nèi)帶發(fā)生強烈相互作用的“地幔柱頭熔融”成因模式。此外,系列數(shù)值模擬研究表明,地幔柱頭-巖石圈發(fā)生強烈相互作用過程中,下巖石圈地幔通過MLD拆離是實現(xiàn)巖石圈大幅度快速減薄的重要方式(Huetal., 2018; Shietal., 2021; Shi and Morgan, 2022)。綜合以上研究,內(nèi)帶巖石圈發(fā)生顯著減薄,且減薄后巖石圈厚度與內(nèi)帶-外帶MLD出現(xiàn)深度接近的特征,可以通過地幔柱頭與上覆巖石圈強烈相互作用,導(dǎo)致下巖石圈地幔拆離實現(xiàn)巖石圈快速減薄得到合理解釋。

此外,現(xiàn)有的地球物理探測結(jié)果顯示,內(nèi)帶巖石圈減薄、地殼增厚的部位,具有高密度、高波速、高波速比、高電阻率、低熱流、強徑向各向異性、弱方位各向異性等特征(Dengetal., 2014, 2016; Chenetal., 2015; Lietal., 2020, 2021a; Liuetal., 2021a; 徐濤等, 2015),且與底侵界面出現(xiàn)、康拉德界面消失的位置一致(Chenetal., 2015),上述特征系統(tǒng)地指示了地幔柱頭與巖石圈相互作用的機制與過程:地幔柱頭與上覆巖石圈強烈相互作用導(dǎo)致巖石圈大幅度減薄,隨之地幔柱頭高程度減壓熔融;產(chǎn)生的大規(guī)模熔體穿透巖石圈地幔,在地殼底部侵位,導(dǎo)致地殼垂向生長;經(jīng)結(jié)晶分異作用后,繼續(xù)向上內(nèi)侵,導(dǎo)致地殼的均質(zhì)化(康拉德不連續(xù)面消失),部分噴出地表形成大范圍溢流玄武巖(圖5b)。

3.2 地幔柱-巖石圈相互作用與巖石圈結(jié)構(gòu)的分區(qū)性

3.3 內(nèi)帶巖石圈的愈合與強化

S波接收函數(shù)刻畫的主要界面與同剖面S波有限頻層析成像刻畫的速度結(jié)構(gòu)之間,具備較好的一致性(圖4a, b)。內(nèi)帶下方,在基于S波接收函數(shù)成像結(jié)果識別的LAB界面之下,存在異常幅值約為+1.0%的高速層,此高速層底界深度約為220km,S波接收函數(shù)成像結(jié)果在此深度處恰存在局部負極性異常(極性反轉(zhuǎn)前為正)。此剖面所在內(nèi)帶區(qū)域,特別是地幔高速異常所在的攀枝花地區(qū),地表熱流值較三江構(gòu)造帶(～95mW/m2)和中帶(～70mW/m2)低,平均值為50mW/m2(Jiangetal., 2018, 2019),考慮到巖石圈厚度對區(qū)域大地?zé)崃鞯闹鲗?dǎo)作用,這一熱流值指示該區(qū)現(xiàn)今巖石圈厚度應(yīng)遠大于110km(Furlong and Chapman, 2013)。因此,如果內(nèi)帶110～220km深度范圍確有高速層存在的話,則表明內(nèi)帶下方克拉通巖石圈受古地幔柱作用減薄后,目前巖石圈已重新增厚。實際上,地球化學(xué)特征與數(shù)值模擬研究表明,地幔柱熱擾動耗散以后,減薄產(chǎn)生的巖石圈空區(qū)會捕獲地幔柱熔融殘留物而得到愈合,從而形成新的厚巖石圈根(Arndtetal., 2009; Leeetal., 2011; Liuetal., 2021b; Pearsonetal., 2021)。峨眉山大火成巖省噴發(fā)于中、晚二疊世之交(～259Ma)(Zhongetal., 2014),彼時揚子克拉通位于赤道以南(Bryanetal., 2002)。換言之,自峨眉山大火成巖省就位以來,揚子克拉通向北漂移了三千多千米,已遠離地幔柱所處空間位置(Torsviketal., 2014),隨著時間的推移,與地幔柱作用相關(guān)的熱擾動早已耗散殆盡(王振華等, 2018)。因此,通過上述捕獲地幔柱熔融殘留物實現(xiàn)巖石圈愈合的機制,可以很好地解釋內(nèi)帶110～220km深度范圍出現(xiàn)的高速異常。但本文S波接收函數(shù)CCP成像結(jié)果,并未顯示連續(xù)清晰的新生巖石圈底界的轉(zhuǎn)換波信號,僅在內(nèi)帶下方220km深度處局部可見。類似的現(xiàn)象,在非洲納米比亞西北部埃滕德卡大火成巖省(Etendeka LIP)也有出現(xiàn),該大火成巖省形成于約132Ma(Renneetal., 1996),研究認為其與現(xiàn)今位于南大西洋的特里斯坦-達庫尼亞(Tristan da Cunha)熱點作用有關(guān)(Richardsetal., 1989),速度結(jié)構(gòu)成像表明其巖石圈厚約200km,但S波接收函數(shù)僅識別出100km深度處界面(Yuanetal., 2017)。這表明克拉通巖石圈愈合增厚,可能普遍發(fā)生于地幔柱與克拉通巖石圈相互作用之后,但新生LAB僅表現(xiàn)為過渡邊界特征,不易通過Sp轉(zhuǎn)換波連續(xù)清晰地探測到。此外,受地幔柱改造后的殘存巖石圈,因經(jīng)歷大量熔體抽取更加虧損而得到強化(Liu and Furlong, 1994; 王振華等, 2018; Lietal., 2021a; Xuetal., 2021, 2023)。因此,綜合上述地幔柱改造巖石圈的愈合和強化效應(yīng),內(nèi)帶巖石圈地幔整體顯示高速、分層特征,但新生LAB卻不易通過轉(zhuǎn)換波震相清晰、連續(xù)分辨。

4 結(jié)論

本文基于COMPASS-ELIP寬頻帶地震臺陣觀測資料,利用S波接收函數(shù)成像,重建了橫跨峨眉山大火成巖省內(nèi)帶-中帶-外帶的巖石圈結(jié)構(gòu)橫向變化特征,并與遠震S波有限頻層析成像、區(qū)域面波層析成像結(jié)果進行了對比,識別了巖石圈內(nèi)部的主要間斷面,探討了地幔柱-巖石圈相互作用的方式與機制。獲得的主要認識如下:

(1)峨眉山大火成巖省巖石圈結(jié)構(gòu)存在顯著的橫向變化。相對中帶和外帶,內(nèi)帶地殼出現(xiàn)明顯增厚,增厚幅度為15～20km;巖石圈厚度約110km,發(fā)生了顯著減薄,減薄幅度約50km;LAB整體呈現(xiàn)上隆特征,巖石圈地幔表現(xiàn)為高速、分層特征,即在S波接收函數(shù)識別的LAB下方,存在高速層。中帶巖石圈厚度約170km,LAB部分缺失,對應(yīng)位置存在地幔低速異常;外帶巖石圈厚度約150km,中帶和外帶均發(fā)育MLD。

(2)上述巖石圈結(jié)構(gòu)的橫向變化是由于古地幔柱作用期間,不同區(qū)帶遭受破壞的力學(xué)機制不同引起的。地幔柱在內(nèi)帶以縱向作用為主,通過熱-動力沖擊造成內(nèi)帶巖石圈的大幅度快速減薄,地幔柱頭高程度減壓熔融,產(chǎn)生的大規(guī)模熔體穿透巖石圈地幔,在地殼發(fā)生底侵和內(nèi)侵,部分噴出地表形成大面積溢流玄武巖;在中帶以橫向作用為主,通過底部剪切變形引起巖石圈地幔的橫向伸展,甚至造成局部撕裂,并在撕裂部位引發(fā)熱-化學(xué)侵蝕,造成撕裂部位的巖石圈破壞;外帶以垂向拖曳為主,可能會造成巖石圈的局部拆沉而減薄。

(3)經(jīng)歷地幔柱改造的巖石圈具備一定的愈合能力和強化效應(yīng)。內(nèi)帶下方地幔的分層、高速異常,指示地幔柱作用產(chǎn)生的巖石圈空區(qū)會捕獲地幔柱頭熔融殘留物而發(fā)生部分愈合,實現(xiàn)重新增厚;受地幔柱改造后的巖石圈,因經(jīng)歷大量熔體抽取,相對改造前更加虧損而得到強化。

鑒于峨眉山大火成巖省地幔柱頭熔融成因模式的典型性和代表性,本文揭示的地幔柱-巖石圈相互作用方式與機制,可能具有全球普適意義。

致謝雁低飛,湘水流,祝融峰上又清秋。值此忠杰先生離開我們十周年之際,謹以此文表達崇高敬意和深切緬懷。感謝中國地震局地球物理研究所李永華研究員提供了東亞面波層析成像的速度結(jié)構(gòu)模型。感謝兩位匿名評審專家、副主編王強研究員、常務(wù)副主編俞良軍博士提供了寶貴的修改意見。