吴子木等-JGR：伊朗高原东北部-东部岩石圈-软流圈系统横向结构变化及其构造意义

　　伊朗高原位于阿尔卑斯-喜马拉雅造山带中段（图1a），形成于特提斯域板块间的长期汇聚作用，特别是新生代新特提斯洋的闭合与紧随其后的阿拉伯-欧亚陆陆碰撞造成高原隆升。相比位于同一构造域、发育更为“成熟”的青藏高原，伊朗高原具有平均海拔低、初始碰撞晚、汇聚速率慢等特点，因此常被视为认识和探索俯冲-碰撞连续过程和高原早期演化的天然实验室。 

　　然而，目前关于伊朗高原构造变形和深部动力学的一些基本问题亟需解决，比如，高原岩石圈如何吸收板块汇聚量？对应怎样的深部动力学过程？高原不同地区响应具有怎样的异同特征？要回答这些问题，获取高原下方岩石圈-软流圈系统（lithosphere-asthenosphere system, LAS）的横向结构变化信息至关重要。 

　　尽管近年来针对伊朗高原深部结构的探测和研究工作取得了诸多新进展，人们对高原广袤的陆内地区下方LAS结构的认识还远不够充分。近日，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生吴子木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（图1b、图1c），利用S波接收函数波动方程偏移成像和波形分析，获得了伊朗高原东北部-东部LAS分层结构信息，为认识伊朗高原陆内岩石圈变形与深部动力学过程提供了重要地震学约束。 

图1 (a)伊朗高原地形及研究区位置；(b)观测系统与主要构造单元：密集流动台阵（橙色三角），主成像剖面L-L’（黑实线）及其成像范围（黑虚线），Sp震相在50-km深度（红点）与120-km深度（蓝点）的采样点分布，DFS即Doruneh左旋走滑断层系（高原东部、东北部的主要构造分界线）；(c)远震事件分布

　　研究结果显示，研究区岩石圈-软流圈边界（lithosphere-asthenosphere boundary, LAB）深度存在明显的横向变化（图2）：伊朗东部LAB起伏平缓，深度80-90 km；而在伊朗东北部，LAB由～80 km向北逐渐加深至高原东北缘的120 km，并呈现“根状”形态。研究区Moho一阶起伏特征与LAB相似，在伊朗东部浅（<45 km）且平缓，在东北部显著加深（～50-55 km）。结合对研究区活动构造、中晚新生代岩浆活动等的已有认识，提出伊朗东北部较厚的地壳和岩石圈可能是阿拉伯-欧亚陆陆碰撞过程中远场应变集中导致岩石圈整体增厚的结果；而伊朗东部的薄地壳、薄岩石圈以及相对平坦的Moho、LAB形态，可能是陆陆碰撞以来岩石圈垂向变形增厚较为有限、岩石圈地幔在中晚新生代多期次对流减薄共同作用所导致。 

图2 (a)主剖面L-L’地形与主要构造分区：伊朗高原东部（EIR），伊朗高原东北部（NEIR），图兰地台（TU）；(b-c)不同频率下主剖面S波接收函数叠后偏移结果，红色正极性震相代表速度随深度增加界面，蓝色负极性震相代表速度随深度降低界面；(d) ENE-WSW向分布叠加窗（对应图1b中三个相邻的黄色虚线框）波形

　　此外，成像结果和信号稳定性测试表明，在伊朗东部～170 km深度处存在一个显著的速度随深度增加界面（positive-velocity discontinuity, PVD；图2）。而在伊朗东北部～140-150 km深度处观测到强度相对较弱的正极性信号，可能对应较浅的PVD。该界面的深度变化与前人层析成像模型中软流圈低速层的深部形态有较为一致的对应关系。 

图3 (a)用于拟合速度间断面结构的1-D速度模型；(b)软流圈低速层底界面（PVD）拟合结果；(c)岩石圈-软流圈边界（LAB）拟合结果

　　波形分析和模拟表明，LAB（30 km深度范围内S波速度降低>4.0%）和PVD（20 km深度范围内S波速度增加4.0-5.0%）均为强波速界面（图3），难以用单纯的温度、化学成分或水的效应解释其成因。综合研究区晚新生代OIB-型玄武岩源区含挥发分特征和熔融实验结果，推断软流圈低速层中可能存在部分熔融，LAB和PVD分别代表了含熔体低速层与几乎不含熔体的岩石圈、更深部地幔的边界。依据部分熔融模型，PVD非常接近或代表了初始熔融深度。而在伊朗东部该界面比在东北部更深，说明前者软流圈局部温度更高或/和更富挥发分，这可能与被俯冲流体交代的伊朗东部岩石圈拆离并在软流圈中去挥发分作用有关（图4）。 

图4 地震学成像结果解释卡通图。图中示意了被交代的富挥发分岩石圈在拆离后可通过于软流圈中去挥发分和诱发局部热物质上涌使初始熔融（PVD）深度增加；LVL表示低速层

　　该研究表明，阿拉伯-欧亚陆陆碰撞背景下岩石圈的差异性变形，以及与新特提斯洋俯冲脱水、交代作用有联系的构造-热事件，可能共同导致了伊朗东北部-东部现今岩石圈-软流圈系统的横向结构变化。这一结果与近年来在典型大洋地区和大陆活动构造带软流圈顶部观测到低速、富水熔融层的现象结合，为进一步深入认识岩石圈与软流圈的复杂相互作用及其对板块构造的影响提供了深部观测依据。 

　　研究成果发表于国际地学学术期刊JGR-Solid Earth。（吴子木，陈凌*，Morteza Talebian, 王旭，姜明明，艾印双, 兰海强，高一帆，Mohammad Mahdi Khatib, 侯广兵, 鍾孫霖，梁晓峰, 赵亮, Nasser Naimi-Ghassabian，肖文交，朱日祥. Lateral structural variation of the lithosphere-asthenosphere system in the northeastern to eastern Iranian plateau and its tectonic implications[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126(1): e2020JB020256. DOI: 10.1029/2020JB020256）（原文链接）。本研究受中国科学院战略性先导科技专项（XDA20070302）、中国科学院国际合作伙伴项目（GJHZ1776）、国家自然科学基金（91855207, 41688103, 41888101, 41822204）以及岩石圈演化国家重点实验室项目（SKL-Z201704-11712180）资助。