海陆联合天然地震观测研究南海岩石圈及上地幔结构与过程

岩石圈和上地幔结构是揭示南海构造演化和动力学过程的基础。本项目拟通过布设16 个宽频带海底地震仪，分两个阶段，进行为期共12个月的天然地震海底观测来探讨南海构造演化中的两个重要问题：可能存在的海南地幔热柱与南海岩石圈的相互作用；东部海盆残留洋脊地幔中的岩浆活动与上覆火山链形成机制。结合同济大学在越南的流动台阵和陆上多个数据公开的固定台站，我们将应用面波和背景噪音联合成像、有限频率体波层析成像、各向异性和接收函数等天然地震学手段，对研究区域从地壳到上地幔的速度结构、地幔流方向、转换带厚度等进行研究，以期回答以下科学问题：海南地幔热柱是否存在，其影响范围如何？它如何与南海岩石圈相互作用并影响其构造演化？残留洋脊的岩石圈结构与其他速率扩张洋脊相比有何特点？其岩浆活动与上覆火山链的形成有何关系？并探讨岩石圈及上地幔过程在南海扩张和演化中的作用。

本项目是通过天然地震海陆联合观测来研究南海及周缘的岩石圈和上地幔结构。我们按计划分别进行了海底和南海周缘陆上的地震观测。在海底，因天然地震观测周期长、仪器稳定性和数目的限制等原因，观测只能分阶段进行。我们分别于2012/4-2013/4和2014/4-2015/4分两个阶段在海南中央海盆进行了观测实验。作为国内首次大规模海底被动源OBS台阵实验,我们汲取了这一工作的经验教训，掌握了海底天然地震数据处理的特殊方法，而且得到南海深部结构的阶段性成果。 具体表现在，我们对于OBS水平分量的确定、利用水听器噪音互相关来进行OBS钟漂校正，以及去除OBS记录中的倾斜噪音等都获得了成功。 在解决了海底数据的各种问题后结构反演中，包括面波层析成像、各向异性和接收函数，也都取得了初步成果，例如，我们得到了残留洋脊之下的低速异常比正常活跃的洋脊要深很多；残留洋脊和海山在马尼拉俯冲带内形成了深部结构的异常，与这一区域俯冲带的地震空白带和岩浆化学成分异常的观测一致。.在陆上，我们利用越南境内的临时地震观测台阵，进行了瑞雷波层析成像并首次得到了印支地块岩石圈结构，显示沿着红河断裂、在较狭窄的带状范围内的岩石圈存在明显的低速异常，表明沿着红河断裂经历过剧烈的构造活动，而且变形在横向上是集中的、在垂向上是在岩石圈尺度下进行的，而非局限于上地壳的、在更广阔的区域内进行。这与“碰撞-逃逸”模型相一致。这一成果是首次从岩石圈深部结构的角度给出了“碰撞-逃逸”的证据，对于南海张开机制的探讨有着重要意义。 另一方面，南海西北部是否存在一个从地幔深处上涌的海南地幔柱是一个广泛争论的问题。地震层析成像因数据覆盖的不完整，结果有很大不确定性。 我们从一个完全不同的角度来探讨这一问题：利用环绕这一区域的大量地震及陆地上密集台站在地幔转换带所产生的三叠波的走时和波形特征，我们得到了转换带的厚度存在异常，表明有高温物质穿过了转换带，给出了这一地幔上涌起源于下地幔的证据，说明海南地幔热柱是南海构造演化中的重要组成部分。