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高一帆等-EPSL:岩石圈性质不均一性控制伊朗高原东北部和东部陆内变形模式
2021-11-24 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  伊朗高原由新生代时期新特提斯洋俯冲及随后的阿拉伯—欧亚大陆碰撞产生(图1a)。相比于印度—欧亚大陆碰撞形成的青藏高原,伊朗高原海拔较低、面积较小,且阿拉伯与欧亚大陆不仅碰撞时间较晚,碰撞后的汇聚量也较少。因此,伊朗高原可能类似于尚未成熟的青藏高原,是研究陆陆碰撞早期阶段陆内变形及相关构造响应的理想实验室。 

1 (a) 伊朗高原地形及研究区位置。红色大虚线框与图1(b)和图2(b)相对应。小虚线框与图2(a)相对应。(b) 地震台站分布(红三角)、GPS速度场(橘黄色箭头)、地震分布(黄点)和地表应变率分布。插图为用于远震剪切波分裂分析的地震事件分布

  大地测量和地表地质研究显示,伊朗高原具有显著的应变分区特征(图1b):1)变形主要集中于南部的碰撞前缘(即Zagros造山带)及北部边界带(如AlborzKopeh Dagh造山带)。2)高原中部被一系列大型南北向走滑断裂分成若干块体,块体内部变形较小。有学者认为这些块体是刚性的,并在走滑断裂的调节下以刚性运动的方式响应大陆碰撞——块体的北向运动为阿拉伯大陆的北向挤入提供空间,而逆时针旋转则可吸收阿拉伯—欧亚大陆的汇聚。但最新的地震学成像研究显示高原中部的岩石圈较薄(< 100 km)且波速相对较低,可能对应温度较高、强度较低,并非是刚性块体。高原内广泛分布的新生代幔源岩浆作用也表明,活跃的地幔动力学过程可能改变了高原岩石圈性质。这就引发了问题:既然伊朗高原中部块体强度较低、容易变形,为什么在其将应力从碰撞前缘传递至高原北部边界区域时没有发生显著地表变形?要回答这一问题、认识伊朗高原的变形模式,首先需要认识高原内部地幔(包括岩石圈地幔和软流圈)流变性和变形特征及其与浅部地壳和地表变形的关系。 

2 (a) 伊朗东北部—东部密集台阵剪切波分裂结果。短线方向代表快波方向,长短代表延时大小。蓝线为前人研究结果;(b) 单层各向异性结构、Lut块体中部的双层各向异性结构以及地表变形场。粉线和蓝线为前人研究结果

  伊朗高原东北部和东部远离碰撞前缘,且分别囊括北部造山带东侧和高原中部块体的Lut块体,是研究阿拉伯—欧亚大陆碰撞背景下陆内变形和相关构造响应的理想地区。中科院地质地球所岩石圈演化国家重点实验室大陆岩石圈演化动力学学科组博士后高一帆与导师陈凌研究员以及来自伊朗地质调查局等的学者合作,基于“中伊伊朗高原地质地球物理综合探测(CIGSIP)”计划第二期密集流动地震台阵观测数据,利用远震剪切波分裂分析方法对伊朗高原东北部和东部的地震各向异性结构和壳幔变形模式开展了细致研究。研究结果显示,大部分台站的平均延时约为0.75 s,表明研究区具有中等程度的各向异性;而剪切波快波方向则表现出小尺度的空间变化,反映复杂的陆内变形特征(2和图3) 

3 (a)快波方向、(b)延时、(c)地壳和岩石圈厚度以及(d)地表应变率随空间变化特征。剖面沿台站N02N52大致呈南北向(台站位置见图2

  基于新观测,并结合已发表的多种研究资料(尤其是地表变形场和岩石圈—软流圈系统结构横向变化信息;图3),研究团队构建了研究区的三维岩石圈—软流圈变形模型(图4):

  1)力学薄弱带控制陆内岩石圈变形。高原东北部的快波方形、造山带走向和活动断裂都近平行于古特提斯洋缝合带(图2)。结合较高的地表应变率和较厚的地壳、岩石圈地幔(图3c和图3d),该地区作为先存薄弱带,其岩石圈在阿拉伯-欧亚大陆碰撞过程中可能经历了显著的缩短增厚变形。在高原东部,位于Sistan缝合带北端的快波方向不仅近平行于断裂走向,还与地表右旋剪切方向近平行(图2 b),反映了大型右旋走滑断裂主导的岩石圈变形。Lut块体中部具有双层各向异性结构,其中上层各向异性可能也反映了岩石圈的剪切变形(图2 b),进一步证明该块体不是刚性块体。其较低的地表应变率表明(图3d),岩石圈变形可能主要发生在地幔部分以及下地壳。 

  2)碰撞前缘两侧阿拉伯板块与欧亚活动陆缘的岩石圈厚度差异可能引发区域性的北东向软流圈流动(图4)。在Lut块体中部,软流圈流动引发的各向异性与岩石圈变形产生的各向异性程度相当(延时相近)、方向不同,因此显示双层各向异性特征。而在Lut块体北部,较薄的岩石圈一方面对整体的各向异性贡献较小,另一方面则有助于软流圈顶部的熔体在此发生堆积,因剪切变形而定向排列的熔体腔可能进一步增强软流圈各向异性的贡献。因此,该区域的各向异性由软流圈变形主导。 

  这项研究有助于了解在大陆碰撞早期阶段的陆内变形模式。伊朗东北部和东部的陆内变形可能不仅受板块边界碰撞过程的控制,还受大陆岩石圈本身的性质和结构不均一性所控制。在伊朗高原中部的Lut地块以及其它陆块,较小的地表变形并不意味着这些地块是刚性的,而可能是大陆碰撞影响更倾向于先由陆内的构造边界及深部变形所调节。最近一项低温热年代学研究揭示了伊朗高原北部造山带变形和隆升的时空差异性,同样强调了岩石圈性质和结构不均一性对陆内变形的控制作用(见《新特提斯消亡与Talesh-Alborz造山带的重生》)。 

4 伊朗高原东北部和东部三维岩石圈—软流圈变形模式卡通图。地表的蓝色双箭头表示岩石圈变形,红色双箭头表示软流圈变形

  研究成果发表于国际学术期刊EPSL(高一帆,陈凌*Morteza Talebian,吴子木,王旭,兰海强艾印双姜明明,侯广兵,Mohammad Mahdi Khatib肖文交朱日祥. Nature and structural heterogeneities of the lithosphere control the continental deformation in the northeastern and eastern Iranian plateau as revealed by shear-wave splitting observations[J]. Earth and Planetary Sciences Letters, 2021, DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117284)。 

 
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