与希腊中部下方板块撕裂相关地幔上升的地球物理证据：其地质动力学意义

《Technovation》：Geophysical evidence of mantle upwelling associated with slab tearing below Central Greece: Geodynamical implications

东地中海地区构造演化受非洲板块俯冲和安纳托利亚板块西向挤出主导，研究结合地震学及重力数据揭示板块撕裂、断层终止与地幔上涌的复杂变形机制，为中央希腊变形提供新解释。

　　
东地中海地区构造演化的关键机制研究

摘要
东地中海地区的构造演化主要由两种作用机制驱动：赫伦弧下的非洲板块俯冲作用与安纳托利亚板块的西向挤出过程。这两种作用在北安纳托利亚断层的终止部位形成复杂的相互作用系统，但受限于非洲板块西段赫伦弧的几何形态不确定性，相关研究仍存在争议。本研究通过整合地震学接收函数与重力数据，首次揭示了该区域地幔流场与板块撕裂的协同作用机制。研究采用两条相互垂直的500公里级接收函数剖面，沿赫伦海沟向正北方向延伸，精准定位到北安纳托利亚断层终止带的深部结构特征。结果显示，西赫伦弧下方存在200公里宽的垂直撕裂带，该撕裂深度达120公里，并伴随地幔上涌作用。这种撕裂模式不仅解释了区域重力场的不对称分布特征，还能合理解释安纳托利亚板块西向挤出速率的突变现象。

研究区域地质背景
爱琴海地区作为欧洲最活跃的地震构造区，其动力学机制涉及三大板块的复杂相互作用：非洲板块持续俯冲形成赫伦弧系，安纳托利亚板块受地幔流驱动向欧洲大陆西移，欧亚板块则通过地壳缩短形成一系列高角度正断层系统。该区域地质演化呈现明显阶段性特征：中始新世至中渐新世（约45-25百万年前）以俯冲回卷驱动的高角度正断层发育为主，形成中央爱琴海结晶基底复杂带；中渐新世后（约25百万年前）俯冲速率加快导致地壳拉伸强度降低，正断层系统逐渐过渡为低角度拆离带，并伴随新生代火山活动的空间迁移。

关键地质现象解析
1. 地幔流场与板块撕裂的耦合作用
研究首次通过三维接收函数成像技术，在赫伦弧西段识别出连续200公里的垂直撕裂带。该撕裂带深度约120-150公里，与区域地震深度分布存在显著差异：小于120公里的地震活动集中分布于安纳托利亚板块西缘，而更深部地震（>120公里）仅出现在撕裂带北侧。这种深度分异现象表明，非洲板块在进入欧亚板块下方后并未完全俯冲，而是发生部分撕裂，形成不连续的俯冲带。

2. 重力场异常的多尺度解析
区域重力场呈现显著的不对称分布特征：西赫伦弧下方存在80-100毫伽的正异常带，与安纳托利亚板块西缘的负异常区形成对比。通过Bouguer重力异常分离技术，发现地幔 Bouguer 异常与地表构造活动存在强相关性。具体表现为：
- 西赫伦弧区地幔密度升高（约0.5-0.8 g/cm3）与正重力异常对应
- 安纳托利亚板块西缘地幔密度降低（约-0.3 g/cm3）与负异常相关
- 北安纳托利亚断层终止带存在梯度变化明显的过渡带

这种密度分布模式无法单纯通过板块俯冲回卷解释，必须引入地幔上涌补偿机制。计算显示，撕裂带上方至少存在60公里深度的地幔上涌柱，其上升速度约3-5 cm/年，与区域热流密度分布（5-8 μW/m2）形成空间匹配。

3. 表面构造的动力学响应
研究揭示了深部过程与地表变形的耦合机制：
- 北安纳托利亚断层（NAF）的终止部位对应重力异常梯度带，地表显示明显的右旋走滑位移（年均4-6 mm）
- 赫伦弧西段撕裂带下方地幔上涌导致欧亚板块岩石圈发生垂向拉伸（拉伸量约15-20%）
- 这种拉伸作用通过正反馈机制强化了区域断裂系统的活动性，形成地震矩释放与构造强化的正循环

创新性发现
1. 非洲板块西段赫伦弧存在"分段式"撕裂模式：不同于传统观点认为的连续撕裂带，本研究发现撕裂带呈现分段特征，每个撕裂段长度约100-150公里，间隔约50公里未撕裂区域。这种分段式撕裂模式可能源于俯冲带岩石圈强度不均导致的局部失稳。

2. 地幔上涌的三维结构解析
通过联合重力与地震数据，首次构建了北安纳托利亚断层终止带地幔上涌的三维模型。结果显示：
- 上涌柱呈椭圆体状，长轴方向与断层走向一致（约30°倾角）
- 柱体直径约80-120公里，深度延伸至地幔顶部（约400公里）
- 存在周期性（约100万-300万年）的地幔柱活动，与区域地震活动存在显著滞后相关性（滞后时间约5-10万年）

3. 构造演化动力学的重新定义
传统理论认为NAF的终止主要由俯冲回卷驱动，本研究证实地幔上涌的动力学作用占比超过60%。具体表现为：
- 撕裂带上方地幔上涌导致岩石圈减薄（厚度由200公里降至150公里）
- 上涌地幔的密度梯度（约0.05 g/cm3/km）形成正反馈机制，持续驱动板块西向挤出
- 这种上涌作用解释了为何在NAF终止区地表仍能保持较高水平地震活动（年均10-15次5级以上地震）

地质意义与理论贡献
1. 建立了"撕裂-上涌"耦合模型，完善了俯冲带动力学理论框架。该模型成功解释了三个传统难题：
- 赫伦海沟持续缩短（年均2-3毫米）与地幔上涌速率的平衡问题
- 安纳托利亚板块西向挤出速率（年均8-10毫米）与地壳缩短速率的匹配问题
- 中央希腊盆地（Corinth Rift）与爱琴海盆地（Aegean Basin）之间的构造差异

2. 揭示了板块撕裂的非均质性特征，提出"阶梯式撕裂"假说：当俯冲带遇到刚性岩石圈基底（如欧亚板块南缘）时，撕裂会呈现阶梯式分布，每个阶梯高度约50公里，间隔约80公里。这种撕裂模式能有效解释区域地震活动在空间上的非连续分布特征。

3. 理论验证了地幔对流在大陆边缘构造中的核心作用。计算显示，地幔上涌产生的浮力效应可使岩石圈板块的西向挤出速率提高20-30%，这为解释新生代构造活动加速提供了关键证据。

4. 创新性地提出"撕裂-热力"反馈机制：板块撕裂产生的地幔热异常（约100-150°C/km）会降低上覆岩石圈强度，形成"热弱化-进一步撕裂"的正反馈循环。该机制可有效解释安纳托利亚板块西缘地震活动在晚第四纪（过去2百万年）的显著增强现象。

方法学突破
1. 首次将接收函数相位反转特征与重力异常三维反演相结合，开发出"双模态约束反演"新方法。该方法通过地震波场传播特征（接收函数）与重力场分布特征（Bouguer异常）的联合约束，有效解决了传统单一数据源的反演不确定性问题。

2. 建立了"密度-重力"转换矩阵，将地震波速数据（接收函数）与密度参数（重力反演）进行非线性关联。计算显示，该矩阵可将密度反演误差从传统方法的15%降低至8%以下，显著提升模型精度。

3. 开发新型地幔流场可视化技术，通过将接收函数成像结果与重力异常进行时空匹配，成功构建了地幔上涌的三维动态模型。该模型可预测未来10-20万年的区域构造演化趋势，预测NAF终止带将向西南扩展约50公里。

区域应用价值
1. 为地震风险评估提供新依据：研究显示，板块撕裂带上方30-50公里范围内存在高应力集中区，与该区地表5级以上地震的分布高度吻合。据此建立的地震危险性模型可将预测精度提高至85%以上。

2. 指导油气勘探新方向：重力异常显示的密度界面变化带（Δρ≈0.3 g/cm3）可能形成新的油气运移通道。研究建议在NAF终止带附近开展三维地震勘探，预测探明储量可提升20-30%。

3. 支持地热开发规划：地幔上涌带（深度100-200公里）的地热梯度可达80-120°C/km，据此构建的地热资源评估模型显示，该区域地热资源潜在值比传统认知提高3-5倍。

未来研究方向
1. 开展深部地球物理探测：建议在NAF终止带布设深部地震观测站（覆盖200-300公里深度），配合重力梯度测量，以揭示地幔上涌的精细结构。

2. 建立数值模拟验证体系：需开发适用于分段式撕裂模型的动力学数值模拟器，当前商业软件（如有限差分法）难以准确刻画此类复杂边界条件。

3. 强化多学科数据融合：建议将磁异常数据（1:50万比例尺）与现有重力、地震数据进行联合反演，以更全面地刻画岩石圈结构。

本研究为理解大陆边缘俯冲带动力学提供了全新视角，其揭示的"撕裂-上涌"耦合机制对解释全球其他大陆边缘构造区（如环太平洋火山带、南大西洋扩张中心）的地质现象具有重要参考价值。后续研究将重点验证该模型的长期有效性，并探索其在资源勘探与工程安全领域的应用潜力。