Pn波衰减层析成像揭示的青藏东南部地壳与地幔耦合/解耦的横向变化

《Physics of the Earth and Planetary Interiors》：Lateral variations in crust-mantle coupling/decoupling beneath SE Tibet revealed by Pn-wave attenuation tomography

　　•基于青藏东南部高密度的ChinArray数据，构建了一个高分辨率的宽频Pn波衰减模型。•低QPg与QPn之间的相关性表明青藏东南部的地壳与上地幔之间存在热耦合现象。•岩石圈规模的挤出作用与深层热上升流可能共同控制着岩石圈的变形。

引言
印度板块与欧亚板块自新生代以来一直处于碰撞状态并持续受压（Molnar和Tapponnier，1975；Yin和Harrison，2000）。青藏高原开始上升，其北部被坚硬的塔里木盆地和阿拉善地块所阻挡，从而导致南北方向缩短和加厚（Liang等人，2023；Wang和Shen，2020；Zhao和Morgan，1987）。在重力作用下，高原物质向东流动（Clark等人，2005；Liu等人，2015）。沿青藏高原东缘，GPS测得的速度迅速降低（图1a），这表明由于鄂尔多斯盆地和四川盆地的阻挡，高原物质正在向南迁移。这种迁移为青藏东南部的大量物质提供了释放通道（Zhao等人，2015a）。因此，该地区形成了众多大规模的走滑断层和逆断层，并频繁发生破坏性地震（图1a）（Weng等人，2023）。

青藏东南部的物质释放机制目前存在争议，主要有两种经典模型：刚性块体挤出模型和中下地壳通道流模型（Clark和Royden，2000；Royden等人，1997；Royden等人，2008；Tapponnier等人，1982；Tapponnier等人，2001）。在刚性块体挤出模型中，川滇菱形块体沿着大尺度走滑断层如金沙江-红河断层和仙水河-湘江断层向东南方向挤出（图1b①）（Tapponnier等人，1982）。地壳流模型则描述了在中下地壳在重力势能作用下的塑性变形，导致中央高原变薄而周边加厚。因此，青藏高原东缘地形陡峭，地表缩短程度较小，且地壳与地幔之间脱节（图1b②）（例如Clark和Royden，2000；Liang等人，2023；Royden等人，1997）。近年来，有人提出了将这两种模型结合起来的新模型，认为高原的变形既受到大尺度走滑断层的影响，也受到塑性物质流动的影响（例如Bao等人，2015；Liu等人，2014；Qiao等人，2018）。这些模型认为构造变形发生在地壳层面，但有些研究指出也应考虑岩石圈的变形（例如Chen等人，2017；Feng等人，2011）。Flesch等人（2005）利用地表GPS数据和SKS数据来量化地壳与地幔之间的水平速度差。他们的研究发现云南地区的速度差最大（最大约为30毫米/年）。观测到地壳漂浮在塑性地幔之上并向南移动（图1b③）。此时地壳与地幔脱节。松潘-甘孜地块和四川西部地块下方的低VS值从地壳一直延伸到上地幔。周围的强岩石圈挤压弱岩石圈，使得地壳与地幔重新耦合，从而发生岩石圈变形（图1b④）。岩石圈的弱化以及垂直拉伸导致龙门山断层两侧出现地形梯度（例如Zhang等人，2018）。因此，了解岩石圈的流变特性有助于确定地壳-地幔耦合情况，进而加深对该地区物质释放机制的理解。

地震波速度和振幅衰减常被用来研究岩石圈的流变结构（Dai等人，2020；He等人，2021；Li等人，2023；Liu等人，2014，Liu等人，2024）。然而，由于青藏东南部所使用的数据集和层析成像方法的不同，所得到的速度图像存在差异（Lei等人，2014；Lü等人，2017；Xu和Song，2010）。例如，当采用联合反演法——该方法结合了最先到达的Pg波、Pn波以及次生的Pg波——对四川西部地块的上地幔进行反演时，会发现该区域具有低速特征（Xu和Song，2010）。而经过莫霍面深度校正后，Pn波速度层析成像结果显示四川西部地块具有高速特征，表明其地幔较为寒冷且坚硬（Lü等人，2017）。与地震速度相比，地震衰减能够更直接地反映岩石圈的流变结构（例如Artemieva等人，2004；Zhu等人，2013）。通过对青藏东南部Pg波和Lg波的高分辨率Q成像，可以了解地壳中熔融物质的分布情况，从而推断出潜在的地壳流动模式（He等人，2021；Li等人，2023；Zhao等人，2013）。He等人（2021）构建了一个宽频Lg波衰减模型，认为青藏东南部的地壳变形涉及下地壳流动以及上地壳的东南方向构造运动。Li等人（2023）通过分析QPg的横向变化，记录了峨眉山大型火成岩省所引起的地壳变形，该火成岩省阻断了青藏东南部两条下地壳流动路径。逃逸出的物质在四川西部地块堆积，导致该地区地壳加厚。与Lg波和Pg波不同，Pn波主要沿上地幔传播（例如Hearn，1996，Hearn，1999；Lü等人，2019；Sereno和Given，1990）。Pn波Q层析成像已被用于揭示上地幔的热结构，包括日本海和阿拉伯板块下方的区域（Yang等人，2022，Yang等人，2023）。“耦合”这一概念指的是多种相互作用或反馈过程（Wang和Dixon，2004）。在本研究中，地壳与岩石圈地幔之间的热对流或共同运动体现了二者之间的相互作用，即地壳-地幔耦合；而“解耦”则指不存在此类情况。综合以往关于青藏东南部物质释放的模型，当地壳与岩石圈地幔表现出一致的低Q值或高Q值特征时，地壳-地幔系统更有可能处于耦合状态；反之，当二者显示出不同的Q异常值时，系统则倾向于解耦状态。因此，本研究通过Q值的变化来区分地壳-地幔耦合与解耦。本研究在青藏东南部构建了一个高分辨率的Pn波衰减模型，以了解上地幔的流变特性。同时通过结合QPg和QPn数据，分析了地壳-地幔耦合与解耦的不同类型，为理解该地区的物质释放机制提供了新的地震学证据。

片段内容
Pn波频谱振幅
在本研究中，我们利用了1996年至2019年间在中国地震台网中心、中国地震数据中心以及地震学研究机构联盟的1076个宽频监测站记录的293次区域地震事件所产生的共计43,949个垂直分量地震波形，这些数据均来自青藏东南部地区。这些地震的震级范围在4.1≤mb≤8.1之间。图S1展示了在11个监测站记录的地震波形，这些波形已经……

结果
我们在0.1–40赫兹的66个频率范围内，构建了青藏东南部上地幔的高分辨率Pn波衰减模型。在2、4和6赫兹频率下的QPn图像显示，该区域的Pn波衰减存在显著的横向变化（图5）。在大尺度上，衰减结构在各个频率下都保持稳定，且QPn值随频率的增加而上升。由于射线覆盖密度较高，该模型能够很好地还原出棋盘状结构，其衰减分辨率可达到0.5°×0.5°。

与以往研究的比较
本研究利用1076个监测站的数据，构建的青藏东南部上地幔衰减模型分辨率高于以往的研究成果。松潘-甘孜地块和四川西部地块的低QPn值和高QP?1值表明，这些区域存在较厚的下地壳以及具有强烈加热活动的软流圈，同时岩石圈较为薄弱（Liu等人，2024）。四川中部地块和柴达木盆地下方则存在坚硬的岩石圈，这与我们观测到的高QPn值相符（Deng等人，2014；Li等人，2020）。

结论
基于区域地震波形，我们在青藏东南部构建了一个宽频高分辨率的QPn模型。结合Pg波衰减模型（Li等人，2023），我们的研究结果表明，青藏东南部的流变特性同时受到物质挤出作用和深层热上升流的影响（图9）。松潘-甘孜地块和四川西部地块下方发生了地壳-地幔耦合现象。而岩石圈的向东挤出在遇到坚硬地层的阻力后便停止了……

作者贡献说明
Tong Lu：可视化、验证、软件、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念构建、初稿撰写。Lian-Feng Zhao：监督、软件、资源保障、项目管理、方法论、研究、资金获取、数据整理、概念构建、审稿与编辑、初稿撰写。Xiao-Bi Xie：监督、软件、概念构建、审稿与编辑。Geng Yang：软件、方法论、研究、数据……

利益冲突声明
作者们不存在需要披露的利益冲突。

致谢
编辑Ana Ferreira以及一位匿名审稿人的意见非常宝贵，极大地提升了本手稿的质量。本研究得到了中国国家自然科学基金（U2139206）的支持。

Tong Lu|Lian-Feng Zhao|Xiao-Bi Xie|Geng Yang|Tuna Eken|Xi He|Zhen-Xing Yao