宽带成像上地幔结构的地震部署Lutzow-Holm湾地区,南极东部

文摘

宽带地震部署进行了Lutzow-Holm湾地区(LHB),东南极洲毛德皇后地属于本国。记录的远震和当地事件是足够的质量形象的结构和动力学的地壳和地幔地形。被动地震研究接收机功能和剪切波分裂表明异构上地幔。深度变化的地形上地幔间断来自长期接收功能,指示一个浅深度不连续LHB在大陆地区660公里。这些结果提供的证据paleo上升流的地幔柱与冈瓦那大陆解体有关。SKS分裂分析预期之间的关系“化石”各向异性在岩石圈地幔和过去的构造。此外,活跃的来源调查(DSSs)成像岩石圈地幔反射涉及区域构造应力在泛非和成功扩展政权解体。结合主动和被动源地幔结构的研究,我们提出一个进化模型的LHB构建当前地幔结构。

1。介绍

部署宽带地震数组在南极大陆的往往是专用的地球科学家的雄心勃勃的梦想。现有地震监测站属于联邦数字地震仪的网络(FDSN)允许解决结构在南极大陆的水平扩展1000公里,这是足以探测岩石圈的根本性差异在南极洲东部和西部,但不能清晰地定义每个扇区内的结构。此外,在南极地区地震活动性受限于稀疏分布,地震和检测水平仍然不够全面评价的构造活动2]。的策略达到足够密度的南极大陆地震监测站将允许最佳的射线路径覆盖在南极洲和改善地震断层扫描分辨率(3- - - - - -5]。

极地领域部署已经在过去的几十年中在几个地区进行withinin南极洲的大陆边缘(6- - - - - -9)包括“横贯山地地震实验(TAMSEIS;(10,11])。“南极新构造程序的工作小组讨论(ANTEC)南极研究科学委员会(SCAR)(锡耶纳,意大利,2001年)和车间“南极洲板块的结构和演化(SEAP)”(科罗拉多博尔德,2003)导致南极地震阵列部署。南极阵列的原理思想来自组件的“区域跨越阵列(RLA)”和“面向项目的实验(坡)”。

合成地震站在南极被安装的几个国际项目开始在国际极地年(IPY 2007 - 2008;http://classic.ipy.org/;图1)。其次是TAMSEIS部署成功举行了2000 - 2002年,几个大地球科学项目联系关于共同努力到达南极大陆的内部和周边地区。“南极洲GAmburtsev省(AGAP;http://www.ldeo.columbia.edu/ mstuding / AGAP /)”,“GAmburtsev山地地震实验(GAMSEIS;http://epsc.wustl.edu/seismology/GAMSEIS/,(12,13AGAP下])”,以及“极地地球观测网络(POLENET;http://www.polenet.org/)“在建立地球物理网络的主要贡献者在南极大陆在国际极地年。

类似于其他地区在南极洲、监控观测进行了在过去十年里日本南极科考(JARE)在Lutzow-Holm湾地区(以下LHB),毛德皇后地属于本国(图1)。利用获得的地震资料澄清地球的异质结构,特别是在南极地区。地震部署可以有效地研究地壳和上地幔,以及地球深内部,包括特性,比如Core-Mantle-Boundary (CMB)和最低地幔层(D′′区)(14,15]。的宽带阵列LHB做出重大贡献不仅FDSN的永久的全球网络,还要等项目区域网络的全球联盟(石榴石),RLA,坡,POLENET,参与"国际极地年"。

本文数据宽带地震的研究进行了综述,以提供清晰的图像上地幔结构和动力学LHB之下。通过结合被动和主动源的结果,一个地区LHB进化模型提出了解释目前的地幔结构的形成。泛非造山等区域构造历史事件,一起的冈瓦纳超大陆解体过程mid-Mesozoic年龄,可能是现在的上地幔结构的合理原因。多学科地震调查综述提供卓有成效的信息对于理解这个地区的区域构造演化。

2。宽带部署LHB

宽带地震部署LHB进行了自1996年以来直到现在,包括部署在国际极地年2007 - 2008年为石榴石的一个主要贡献。建立了车站露头和冰盖的大陆边缘LHB(图2)。地震阵列响应函数计算在主导0.03赫兹的频率和0.1赫兹接收机空间分布的石榴石站(图3)。预计短期内体波和长周期面波检测和空间分辨率的分析通过使用检测波形数据可以评估该地区。除了电源故障的一些站在冬天的季节里,观察已经进行了相当好,相当数量的事件记录的全球地震,当地的地震,以及ice-related事件在车站附近(图4)。参与"国际极地年"期间,七站总数(合计、液化天然气、SKV SKL、S16 RDV,和BTN)持续经营。最后三个电台(RDV S16, BTN)开始同时参与"国际极地年"的开始。

观测系统由便携式宽带检波器和数据记录器(由Hakusan有限公司类型LS8000-WD xt),结合铅酸和太阳能电池。CMG-40T便携式地震仪(Guralp系统有限公司)是使用一个三分量的速度响应(平坦的频率响应速度0.05 -10赫兹)。速度信号数字化的采样频率动态范围的10 - 100赫兹90分贝(16位),并存储在一个硬盘(2 GB)或闪存(CF)卡(10 GB)。总太阳能电池板功率是250 - 270 W 12 V直流输出,和铅电池的容量超过500为每个站啊。系统连续操作除了非常黑暗和寒冷时期在南极的冬天。观测系统的细节描述的前几年是在19,20.]。LHB石榴石站的更详细的信息和操作细节可从国家极地研究所的网站(NIPR) (http://polaris.nipr.ac.jp/ pseis /石榴石/)。

石榴石数据最初是存储和访问合作研究人员通过数据库服务器NIPR(北极星;http://polaris.nipr.ac.jp/ pseis /石榴石/)。后一段定义,数据变得可用地震学的世界数据中心,如结合地震学研究所/数据管理系统(虹膜/ DMS)。全球数据中心提供的数据,地震学家研究极地,常务委员会在南极数据管理(SCADM)南极研究科学委员会(SCAR),以及南极主目录(AMD)全球变化主目录(GCMD)的美国国家航空航天局。

在国际极地年、宽带地震部署LHB JARE项目支持下进行。通过结合其他大型国际极地年项目如AGAP / GAMSEIS [13),此外,部署在LHB可以提供限制的起源Gamburtsev冰川下的山脉的了解南极前寒武纪克拉通的整体结构和冰川下的环境。地震信号检测基底滑动的冰盖和冰流10,21)预计将在未来的研究中,以及检测突发洪水从冰川下的湖泊。

3所示。地震速度不连续

有趣的地震相关证据的结构和动力学LHB被JARE立在过去十年里获得的活动。远程地震数据记录LHB质量充分使用各种分析澄清南极lithosphere-asthenosphere系统的异构特性,以及深刻的内部(5,14,15,22- - - - - -24]。近年来,而且,glacial-related地震事件被检测到LHB数组站(25,26]。地震信号涉及ice-related现象,也称为“ice-quakes (ice-shocks)”,已经与极其相关的群众运动的冰层,海冰,tide-cracks和极地地区的冰山10,25]。尽管本地网络的发展在过去的二十年里,我们几乎不能区分不同波形由当地构造地震和ice-related现象(例如,未知X-phases报道(26])。ice-related信号可以为当地提供独特的信息对南极地区,包括全球气候变化的影响。

记录的波形质量足够分析crust-upper地幔结构和该地区的构造演化。被动震源研究接收机功能,横波分裂,面波层析成像进行了使用数据记录系统坐落在LHB露头。剪切波速模型被拟合反向合成接收机功能短周期的观测数据范围。获得模型研究接收机方位变化的函数代表一个稍微蘸壳-幔边界向海岸(27]。此外,逐渐增厚的地壳结构LHB被确认来自北方的向南(28]。沿着海岸地壳厚度的变化可能反映了构造历史,随着变质程度在LHB结晶地壳向南(29日]。

长期接收机功能显示深度变化地震断层的上地幔(410公里和660公里)LHB(下1]。长期接收机功能(在0.2赫兹低通滤波器)生成使用62远震事件记录由当地宽带阵列(图5(左)。P-S深度分布的转换变化点识别特别的不连续(图660公里5,对吧)。在地形浅深度660公里不连续被发现在大陆冰盖面积,也就是说,SE的石榴石站沿海岸。证据可能反映了古地幔柱与超大陆解体的上升流Mid-Mesozoic年龄。

回方位角分布depth-converted接收机功能编译所有的石榴石站(图6)。后面被定义为方向的方位角》深度转换分计算所有hypocenter-station对从Syowa站(SYO)作为中心。回方位角分布的深度变化上地幔间断编译所有电台(图7)。颜色轮廓图6表示接收函数的光滑振幅。异构性问题被发现在410年和660公里不连续在两个方位的20 - 50°和200 - 260°。这两个方位组几乎与海岸平行,可能表明与冈瓦纳的解体过程的关系。分手的证据支持的其他研究远程地震横波各向异性和反射成像的积极消息显示在接下来的一章。

4所示。上地幔各向异性

地震波各向异性提供最近的信息和/或化石地幔流动反映研究地区的构造演化。地震各向异性LHB是来源于上地幔的SKS分裂分析远震事件记录在石榴石站(图8;(16])。SKS波分裂的平均延迟时间分析站取得了1.3秒,几乎相当于全球平均水平。一个两层的模型是假定模型上地幔各向异性;上层通常被认为对应“岩石圈”和较低的层的“软流层”。在LHB六站,我们可以认识到分裂的方位变化参数(图9)。

SKS波的快速极化方向与绝对板块运动的方向(APM),这反映了最近的地幔流(30.]。APM的方向LHB是N145°E,和速度是大约1.1厘米/年基于HS3-NUVEL1模型(31日)(图10)。自从快通常较低的层的极化方向平行于APM的方向,认为较低的层各向异性反映asthenospheric异常由于横向地幔流沿着APM。

相比之下,快速极化方向的上层从未配合APM方向(不同的是100°)。我们提供一个各向异性结构的想法可能涉及过去的构造活动和各向异性的起源是“冻结”在岩石层。冈瓦那大陆组装在早古生代的一个主要事件LHB [32]。LHB经验的地区高档泛非造山运动期间变质作用(33]。变质程度增加逐步从北到南沿着海岸和最大热轴位于最南端的一部分LHB [34]。

“化石”岩石圈地幔的各向异性可以估计由过去的区域构造引起的。大多数的快速极化方向在上层,对应“岩石圈”,在一个面向NE-SW方向(图10)。这是一致的方向演变的压缩应力在泛非年龄和东、西冈瓦纳supraterrains之间的转换阶段。我们提出地幔各向异性是由岩性取向冈瓦那大陆地幔矿物在融合过程中,而不是在当前asthenospheric流动平行于APM。

5。地震反射成像

除了宽带被动研究,深度地壳和上地幔LHB调查活跃源研究(深层地震勘探;由JARE (DSS)35- - - - - -37)(图11)。进行了DSS的大陆冰盖LHB在南国的夏天在2000年和2002年的“南极东部岩石圈结构和演化(密封)”计划。部署需要较大的物流工作,包括大型炸药的爆炸镜头沿地震剖面在LHB冰盖高原。

复杂的DSS crust-upper地幔边界的反射图像处理演示明显(莫霍面不连续面)和岩石圈地幔结构(17,38]。一层压壳-幔边界周围分层成像使用相干增强处理后正常搬出去(动)修正应用于far-offset密封- 2000年的数据,-2002年配置文件。密封- 2000,单覆盖CDP部分只有远远抵消镜头上方的图12(一个)和单一覆盖CDP只有接近在下部也可以发现痕迹。图12 (b)显示了一个单层褶皱CDP部分只使用远远抵消拍摄密封- 2002剖面(上)和CDP叠加部分抵消不到120公里被描述为相同的概要文件(低),分别。

层压层的下部地壳LHB,此外,数值模拟是通过比较合成接收机功能与观察到的波形在短时间内乐队(0.1 - -1.0赫兹)39]。重复的壳-幔过渡带成像的密封- 2002剖面显示压缩应力的存在在一个NE-SW取向在泛非年龄,最后形成阶段的活动带东西方冈瓦那大陆地形。冈瓦那大陆解体过程的连续mid-Mesozoic可能占拉伸反射结构的形成在莫霍面不连续面成像在密封- 2000剖面(图12(一个))。

这些地震反射被认为代表multigenetic起源,包括火成岩侵入、岩性和变质分层,糜棱岩区,剪切区,地震各向异性,或流体层(40,41]。尽管反射率可能multigenetic起源的原因,我们建议变质分层的主要原因可能是LHB。强劲反射率越深crust-upper地幔可以预期结果从分层的镁铁质和长英质的岩石序列42]。另外,可以创建这样一个反射率,镁铁质麻粒岩相岩石夹层上角闪岩和低metapelites [43]。

无论地球上的大陆地形,反射率的主要原因可能是增强韧性伸展在后期构造具体的流程(44]。特别是,莫霍面附近的反映层主要是在地壳变薄构造地区发现。因此,较低的反射率LHB下地壳和岩石圈地幔可能是增强外延条件下造成的冈瓦纳超大陆的最后分手。

6。讨论

在本节中,一个地区LHB进化模型提出了解释当前结构的形成过程在前面几节了。进化历史的总结,包括LHB主要构造事件,显示在图14。

地质研究JARE显示的区域变质LHB泛非造山运动期间(33]。角闪岩相的变质程度的增加逐步麻粒岩相的NE LHB的西南。最大热轴贯穿南方LHB与NNW-SSE引人注目的方向(29日]。从地质证据,LHB地形有经验的变形r压缩的拱坝与热轴垂直,几乎平行海岸,在最后阶段的变形过程之间的活动带位于东部,West-Gondwana [32]。高振幅磁异常发生在LHB相比在周围地形([45];图13)表明LHB可能位于一个主要的泛非活动带的缝合带。这是在最近的研究指出在东非和东南极洲。这些主要缝合区出现继续从LHB南极洲西部的沙克尔顿范围(32,46]。

较低的下地壳和上地幔LHB是横向和纵向变化特征如地震学研究综述所示。内陆轻轻蘸莫霍面不连续(38-42公里)在密封- 2000剖面倒了旅行时从折射和广角反射调查分析18]。目前的结构是归因于过去的区域构造,特别是变质和年龄在泛非造山活动。推断出推力复制(类似于楔形)低crust-upper地幔过渡结构密封- 2002剖面(图解释12 (b),(17])也意味着政权压应力沿剖面的泛非NE-SW方向。通过与地球物理和岩性信息,考虑LHB被认为是形成收敛下,垂直于热轴,在碰撞supraterrains的冈瓦纳超大陆形成的最后阶段39,47]。如果LHB接受NE-SW压缩,相关paleo-mantle流沿这个方向能产生相关的地震各向异性热轴进步的变质作用。由于paleo-compression的方向是一致的合成快速极化SKS分裂(16),各向异性的上层人物9可以解释为“岩石圈变形在泛非LHB的形成。

在南极洲和Australia-India之间的分手~ 150 Ma (48),LHB经验的张性应力,导致在南极东部的大陆边缘变薄。平面反射镜壳-幔边界识别上面躺在密封- 2000剖面(图12(一个))建议的张性应力政权的存在-方向造成分手。地震反射层壳-幔边界和岩石圈地幔可能是增强了外延条件在解体的最后阶段。晶格择优取向(法律流程外包)诱导机械开发的各向异性以及既存的岩石圈结构的方向在大陆裂谷作用[49]。各向异性的起源在西方毛德皇后地属于本国指出作为古老的岩石圈结构修改了断裂过程中解体(50]。随着传播方向的恩德比土地-解体初期(51],罢工的裂痕是LHB通常平行于大陆边缘。快极化方向的上层(岩石圈)SKS分析大致平行于大陆边缘。因此,它是合理的,分手各向异性在岩石圈的形成的影响。既存的岩石圈结构也可能影响成功解体过程中各向异性的形成。

最后,除了研究地壳和上地幔,远程地震波形记录有优势研究地球内部深处如下地幔,D′′区(15),Core-Mantle-Boundary (CMB),内核(14,52]。石榴石LHB中的数据可以用来研究地球内部深处的高纬度地区南部。此外,这些数据可以结合其他项目在该地区的数据,比如AGAP / GAMSEIS和项目合作国家的南极洲。石榴石宽带部署在LHB提供有效的贡献,国际南极数组计划,FDSN, POLENET,广泛参与"国际极地年"的目标。

7所示。结论

宽带地震部署在泛非LHB地形,南极东部,提供清晰的图像的上地幔结构特征。被动源研究远程地震等事件接收器使用功能和横波分裂了异构结构沿海岸地区。深度变化的上地幔间断(410公里和660公里)是来源于长期的接收器LHB数组的函数记录。浅深度的地形上地幔间断特别约660公里深处清除了在大陆冰盖SE除了站的地方。这些结果可能反映了古上升流的地幔柱与冈瓦那大陆解体有关。

岩石圈地幔各向异性导出了SKS分裂预期“化石”各向异性和过去的构造之间的关系。快极化方向,主要在NE-SW符合化石在泛非压缩。地幔各向异性的起源可能主要通过法律外包涉及超大陆组装引起的,而不是现在asthenospheric流与绝对板块运动。此外,多学科岩石圈地幔都主动和被动相结合的图像在LHB来源。DSS进行了2000年和2002年在大陆冰层壳-幔边界,并提供明确的信息连同内地壳和岩石圈地幔反射。经过处理的正常时差校正和CDP叠加,提取的DSS岩石圈图像暗示在泛非构造应力的影响。

LHB宽带部署,因此,可能会导致一个有效贡献区域和全球地震网络,国际南极数组项目,连同POLENET在国际极地年。

确认

作者想表达他们特别感谢JARE成员的参与者对他们的努力进行地震LHB阵列部署。作者想表达真诚的感谢教授。k . Kaminuma k .涩谷y避难所,k . Doi y青山和NIPR全体员工讨论地震部署和上地幔中有用。他们要感谢国际极地年项目的合作者AGAP / GAMSEIS(华盛顿大学教授d·恩斯教授a Nyblade佩恩。州立大学等)和POLENET (t·威尔逊的俄亥俄州立大学教授,美国Konfal博士和其他人)。他们欣赏Konfal和T。威尔逊检查纸,给有用的评论。作者想表达真诚的感谢教授j .地质系的赌博,爱尔兰国立大学教授a·k·库珀的地质和环境科学,斯坦福大学,两个匿名裁判的特殊问题”地震成像“在国际地球物理学杂志》上对他们真诚的和有用的评论。

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