成都理工大学环境与土木工程学院王丹老师在国际顶级期刊《Geophysical Research Letters》上发表重要研究成果
近日，成都理工大学环境与土木工程学院王丹老师及其合作作者在格林兰岛地幔转换带结构成像及其地球动力学意义方面的研究取得了重要进展，相关研究成果以“A Tilted Broad Plume Underneath the Greenland Cratonic Keels”为题在地球科学自然指数（Nature Index）权威期刊、中科院一区TOP期刊《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上发表。
文章链接：https://doi.org/10.1029/2023GL107360
格林兰大陆起源于劳伦大陆核心部分，具有漫长而复杂的构造历史。格陵兰岛壳幔由包括太古代克拉通和若干个古元古代造山带的前寒武纪大陆地盾构成。北大西洋及随后的拉布拉多海和巴芬湾的海底扩张导致了格陵兰岛东西部沿岸的大规模火山活动，形成了北大西洋大火成岩省的一部分。
图1.（a）格林兰岛及其周边主要的区域构造特征，背景颜色为NAT2021区域速度模型上地幔及地壳（0-410km）的平均S波波速异常（Celli et al.,2021），不同颜色的实线代表前人研究的可能的冰岛热点的轨迹，白色圆圈和数据是基于Forsyth et al.（1986）研究提出的地幔柱的年代及位置，彩色三角代表格林兰岛的火山分布及其对应的年代范围（Wilkinson et al., 2017），粗的黑色虚线代表本研究中观测的地幔转换带厚度异常区域的位置（A区和B区）。（b）研究区域的地形图及地震台站分布。黄色圆圈代表本研究所用的地震台站分布，黑点代表了在地幔转换带中部535km深度投影的射线穿透点的位置，右上方的插图代表本研究用的远震事件的分布位置。
然而，由于格林兰岛被大量冰盖覆盖，人迹罕至，观测数据缺失，这限制了对格林兰岛的内部的壳幔结构、北大西洋大火成岩省和冰岛热点轨迹的地球动力学成因的认识，而这些科学问题对解释地幔不均一性及地球动力过程至关重要。
本研究利用分布在格林兰岛不同位置的44个地震台站观测到的P到S的转换波的远震数据，采用基于非平面波假设的改进接收函数计算方法，对整个格林兰岛地下410km和660km的地幔转换带上下的两个不整合面（分别简称d410和d660）进行了成像，并进一步利用近期发表的三个包含P波和S波波速的格林兰岛区域及全球速度模型进行了深度校正，且通过计算不同模型校正后的平均值来减小模型选取带来的校正误差。
图2.四个穿越地幔转换带厚度异常区域的纬度剖面的叠加过后的接收函数波形。白色圆点代表选取的不整合面的振幅最大值的位置，背景颜色显示了NAT2021(Celli et al., 2021)速度模型中的S波波速异常结果，顶部的曲线显示了基于三个速度模型算出的剖面S波速度异常的变化及其标准差（每个点的小竖线）。
图3.a-d为基于标准地球速度模型IASP91计算的格林兰岛地幔转换带不整合面“视”深度、厚度分布及厚度的标准差；e-h为经过三个速度模型深度校正后的地幔转换带不整合面的校正深度的平均值、对应的厚度分布及厚度的标准差。
结果显示，大多数格林兰岛南部的克拉通区域在速度校正后呈现出正常的不整合面深度以及地幔转换带厚度，说明该区域的速度异常主要集中在上地幔区域。然而，在格林兰岛的东海岸及中北部地区观测到了异常的地幔转换带厚度，在这些地区，校正后的d410和d660两个不整合面均呈现出比正常深度要更深的下沉结构特征。但由于两个不整合面下沉程度的不同，导致了东海岸地区的地幔转换带明显增厚，而中北部的地幔转换带减薄。利用所有以往公开发表的克拉伯龙斜率（Clapeyron Slope）数值的平均值，研究人员进一步根据两个不整合面不同的矿物转化特征计算了该区域的温度异常，并结合矿物学实验结果及地球动力学模型，揭示了一个在格林兰克拉通块体之下倾斜上涌的宽地幔柱。这进一步反映了地幔转换带横向温度变化以及不均一性，并通过观测手段验证了在高温度异常状态下660km地幔转换带不整合面处的另一种由石榴石矿物主导的“后石榴石相变”（post-garnet phase transition）对地幔柱动力学的影响，这对揭示该地区地幔不均匀性、冰岛热点轨迹以及整个北大西洋大火成岩省的形成与演化规律提供了重要的观测结果及科学依据。
图4.基于观测结果及温度异常计算的最终的地球动力学模型。在整个地幔转换带厚度异常区域（A区和B区），660km不整合面主要是由石榴石矿物主导的“后石榴石”矿物相变，而A区和B区不同的两个不整合面深度的变化是由于在地幔转换带倾斜上涌的地幔柱带来的横向温度异常的变化导致的，结合上地幔和地表地热观测结果，推测倾斜上涌的地幔柱在上地幔又一次因为克拉通地区岩石圈厚度的不同而发生了再次的改向。
论文第一作者（独立）为我校环境与土木工程学院地质工程系王丹老师，成都理工大学环境与土木工程学院为第一单位，美国密苏里科技大学Kelly H. Liu教授为论文的通讯作者，其他合作作者包括美国密苏里科技大学Stephen S. Gao教授及博士生廖杨杨。
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