近日，南方科技大学海洋科学与工程系助理教授郭震团队围绕东亚大陆变形的深部动力学成因，刻画出青藏高原软流圈物质东向溢出的通道范围，揭示了扩张的青藏高原影响东亚大陆广大区域陆内变形的深部动力学机制。相关研究成果以“Seismic Constraints and Geodynamic Implications of Differential Lithosphere-Asthenosphere Flow Revealed in East Asia”为题发表在《美国国家科学院院刊》PNAS上。

图1. (a) GPS观测显示的东亚地表变形，（b）SKS分裂显示的深部变形

近50个百万年已来，东亚大陆同时受到印度板块的碰撞挤压和太平洋板块的俯冲，东亚大陆是全球最大规模的大陆碰撞变形区域，经历了强烈的、广泛的岩石圈构造变形，包括地壳缩短、造山运动、强烈的地震活动、拉张盆地形成、陆内火山活动等。然而，东亚岩石圈陆内变形的深部动力学机制尚不清楚，岩石圈变形与地幔流之间的关系也未得到有效约束。

南科大海洋系郭震助理教授研究团队利用最近十几年以来布设于鄂尔多斯周缘的宽频带地震台阵，通过联合反演高分辨率的（背景噪声+远震）面波各向异性和SKS获得三维各向异性结构，并利用地表GPS观测来同时约束地表及岩石圈地幔的变形和更深部的软流圈流动状态。研究发现，青藏东北缘下方地壳和地幔各向异性方向呈现不同，表明了青藏高原岩石圈在扩张过程中岩石圈存在变形解耦。

图2.背景噪声和远震面波反演岩石圈三维各向异性，对比SKS分裂揭示不同区域岩石圈变形存在解耦或耦合

通过对岩石圈各向异性的“剥离”，发现了青藏东北缘和秦岭造山带下方存在非常强的软流圈（深度为120km-300km）各向异性，软流圈各向异性对观测到的SKS分裂的贡献高达60%-70%，表明这些地区下方存在较强的软流圈水平流动，各向异性快轴方向指示了软流圈流动方向。

研究认为，青藏东北缘下方的软流圈物质在印度-欧亚板块持续挤压和太平洋板块俯冲后撤的共同作用下形成向东部流动的地幔流。而鄂尔多斯块体和四川盆地较厚的岩石圈阻挡了青藏东北缘的地幔流，引起地幔流围绕鄂尔多斯岩石圈旋转，并通过位于两个克拉通之间秦岭-大别造山带较薄的岩石圈下继续向东流动。向东流动的地幔流在鄂尔多斯东缘岩石圈变化最为剧烈的区域形成小尺度地幔对流（edge-driven convection或edge-driven convection），造成地幔局部上涌形成陆内火山活动和隆升，如鹤壁火山。此外，虽然大多数动力学研究认为软流圈地幔流由上覆岩石圈的被动拖拽而形成，该研究结果表明东北缘下方的软流圈流动方向不同于上覆岩石圈，说明软流圈的流动既不是被动的被上覆岩石圈所拖曳，也无法将上覆板块拖曳至变形方向与地幔流流动方向一致，即上覆岩石圈变形和软流圈的流动完全解耦。

这些发现为东亚的陆内变形的动力学机制提供了重要的观测证据，揭示了现今东亚岩石圈大规模变形和陆内火山活动可能受控于岩石圈下方的地幔流分布，对于揭示板块内部变形机制和地球内部不同圈层耦合关系具有重要意义。

图3. 联合反演面波各向异性和SKS分裂揭示东亚大陆下方岩石圈变形和软流圈地幔流流动状态

郭震为论文通讯作者，郭震课题组前访问学生吴姗姗（上海市地震局访问学生）为论文的第一作者，合作者包括南科大海洋科学与工程系讲席教授陈永顺、Jason P. Morgan。南科大是论文第一单位。以上研究得到了国家自然科学基金优青项目和面上基金的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2203155119