通过Sp接收函数分析研究南极岩石圈

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Investigating the Antarctic Lithosphere Through Sp Receiver Function Analysis

岩石圈-软流圈边界（LAB）和地壳-地幔过渡带在南极的分布特征及其与地质过程的关系。使用Sp接收器函数分析发现，西南极裂谷系统（WARS）的LAB深度为70-100公里，显示较薄的岩石圈；东南极古陆壳区LAB过渡平缓，厚度较大（90-120公里）。玛莉亚-比尔德陆地（MBL）和南极横山脊（TAMs）存在沿 strike 变化的LAB深度，表明热对流和岩石圈剥蚀作用的影响。研究揭示了南极岩石圈厚度与板块分裂、地幔上涌及部分熔融的复杂关联。

　　南极洲的地壳-地幔过渡带（LAB）和地壳-地幔界面的结构研究为我们提供了对南极大陆地壳演变的重要见解。这项研究通过使用远程地震事件的Sp接收函数（receiver functions），并结合单站分析和共同转换点（CCP）叠加方法，对南极洲的地壳和上地幔的地震波速梯度进行了详细成像。研究结果揭示了西南极地区在70至100公里深度存在显著的负速度梯度，这与之前通过地震层析成像研究中识别出的地壳底部一致。在西南极裂谷系统（WARS）区域，地壳厚度通常在70至85公里之间，个别区域甚至达到100公里。这些厚度并不与显著伸展的时间相关，而是与地壳底部冷却地幔的消融有关，可能受到当前地幔流的影响。

研究还发现，东南极内陆区域的地壳厚度较大，且在地壳-地幔过渡带（LAB）处缺乏Sp相位的信号，表明该地区的地壳-地幔速度梯度较为平缓。相比之下，东南极边缘地区，尤其是与澳大利亚分离的区域，显示出清晰的LAB负速度梯度，深度在90至120公里之间。这表明，尽管东南极整体具有较厚的地壳，但在其边缘区域，由于地幔的热力支持，地壳厚度有所变化。

西南极裂谷系统（WARS）作为研究重点之一，显示出较为复杂的地壳和地幔结构。该区域的地质历史表明，从白垩纪开始，裂谷活动逐渐取代了之前的俯冲作用，形成了西南极的裂谷系统。尽管地质测量表明裂谷活动在约1100万年前已经停止，但该区域仍存在活跃的地幔流动和火山活动，这表明地壳可能仍在受到地幔动力学的影响。此外，WARS地区的地壳厚度普遍较薄，仅在某些区域达到约16公里，这种现象可能与该地区地幔的热力异常和热力上升有关。

在玛丽·伯德地（MBL）地区，研究结果表明地壳厚度比WARS地区厚5至10公里，地壳底部深度在60至80公里之间。这些特征可能与该地区存在的低密度热异常有关，这些热异常支持了该地区的高海拔地形。研究还指出，MBL的火山活动可能源于地幔柱（mantle plume）的影响，这与该地区上地幔和过渡带中观察到的低速异常一致。此外，剪切波分裂和背景噪声各向异性等观测结果进一步支持了地幔流动的存在，表明该地区的地幔可能存在从地幔柱上升的流动。

东南极的Transantarctic Mountains（TAMs）则表现出沿裂谷方向的显著地壳厚度变化。研究指出，TAMs的高海拔地形并非单纯由地壳根部的浮力支撑，而是可能受到较温暖的地幔热力支持。例如，在TAMs的南部，地壳厚度较薄，而北部则可能更厚，这种差异可能与地幔的热力流动有关。研究还提到，TAMs可能经历了与裂谷相关的地幔侵蚀或地壳剥离（delamination）过程，这些过程可能改变了地壳的结构，使其表现出不同的厚度特征。

在东南极的其他区域，如罗丝冰架（RIS）和维多利亚地盆地（VLB），研究也发现地壳厚度和地幔速度梯度存在显著变化。这些变化可能反映了东南极不同区域的地质历史和地幔动力学过程。例如，罗丝冰架区域的地壳厚度相对较薄，而维多利亚地盆地可能经历了更复杂的地质活动，导致地壳和地幔结构的差异。

此外，研究还探讨了地壳厚度与地幔速度梯度之间的关系。在WARS和MBL区域，地壳厚度与地幔速度梯度之间没有明显的正相关，这表明地壳的薄化可能并非单纯由过去的伸展作用导致，而是受到当前地幔流动和部分熔融的影响。部分熔融可能降低了地幔的密度，使得地壳更容易受到侵蚀，从而形成较薄的地壳结构。

研究还发现，南极洲的地壳和地幔结构可能受到多种因素的共同影响，包括地壳根部的浮力、地幔的热力支持以及地幔柱的活动。这些因素在不同的地质区域表现出不同的组合和强度，导致地壳厚度和地幔速度梯度的变化。例如，在MBL地区，地幔柱的上升可能通过地幔流动影响地壳结构，而在TAMs地区，地幔的热力支持可能在某些区域更为显著。

研究还强调了使用Sp接收函数在南极洲的应用优势。由于南极洲的地壳和地幔结构复杂，特别是冰层和沉积层的存在，Sp接收函数能够有效减少浅层反射波对结果的干扰，从而更准确地检测地幔速度梯度。此外，Sp接收函数的宽Fresnel区提供了更连续的横向采样，有助于提高成像的分辨率。

综上所述，这项研究揭示了南极洲地壳和地幔结构的多样性。西南极地区由于近期的地幔活动和流动，地壳相对较薄，而东南极内陆地区则具有较厚且稳定的地壳结构。这些发现不仅有助于理解南极洲的地质演化过程，还为未来的地热流估算和冰盖-地壳耦合模型提供了重要的基础数据。研究还指出，地幔柱活动可能在维持西南极地壳薄化方面起到关键作用，这为全球范围内其他地壳薄化区域的比较研究提供了参考。此外，研究结果还暗示了地幔动力学过程在不同地质区域的复杂性和多样性，为进一步探讨地壳与地幔之间的相互作用提供了新的视角。