加勒比-南美洲（Caribbean-South America）俯沖帶是一個(gè)平板俯沖帶，在梅里達(dá)安第斯（Merida Andes）山脈、佩里哈（Sierra de Perija）山脈和圣瑪爾塔（Santa Marta）山脈之間出現(xiàn)了類似北美拉臘米（Laramide）的增厚隆升構(gòu)造。大地測量和歷史地震活動(dòng)顯示，該地區(qū)正在積累應(yīng)變能量，并且有可能發(fā)生特大地震（震級≥8.0 級）。此前對該地區(qū)巖石圈和上地幔的地震研究要么范圍非常大，要么局限于較小的局部區(qū)域，要么只是涉及該地區(qū)的周邊地帶；因此，加勒比板塊在馬拉開波地塊（Maracaibo block）下方的俯沖幾何形態(tài)的細(xì)節(jié)仍不清楚，亟待深入研究。

為解決這一科學(xué)問題，中國地震局地球物理研究所苗文培助理研究員等，使用了由加勒比—梅里達(dá)安第斯地震實(shí)驗(yàn)（CARMA）獲取的一組新數(shù)據(jù)，其中包括來自哥倫比亞和委內(nèi)瑞拉國家地震臺(tái)網(wǎng)的65個(gè)臨時(shí)寬帶地震臺(tái)站和44個(gè)永久臺(tái)站，開展了此地區(qū)的背景噪聲與遠(yuǎn)震直達(dá)瑞利波層析成像研究（圖1）。研究采用首創(chuàng)的兩部反演機(jī)制，完美解決了在聯(lián)合反演過程中短周期數(shù)據(jù)集和長周期數(shù)據(jù)集誤差權(quán)重分配問題，獲得了背景噪聲瑞利波Z/H比值、8-30秒頻帶內(nèi)的相速度以及遠(yuǎn)震事件30-80秒頻帶內(nèi)的直達(dá)瑞利波相速度，以此構(gòu)建了一個(gè)位于西經(jīng)75°~ 65°、北緯5°~12°之間區(qū)域的三維橫波速度模型（圖2）。該模型即對沉積層有較好約束，又對上地幔結(jié)構(gòu)有足夠分辨率。首先，模型顯示從海溝向東南方向地殼厚度總體上呈增加趨勢。一個(gè)異常區(qū)域是馬拉開波湖（Maracaibo Lake），其下方是該地區(qū)最薄的結(jié)晶地殼。這一觀測結(jié)果可能表明馬拉開波地塊在地殼內(nèi)部正在經(jīng)歷扭曲變形，具有發(fā)生大震的風(fēng)險(xiǎn)性。另外，橫波速度模型顯示在奧卡-安孔斷層（Oca-Ancon fault, OAF）下方發(fā)現(xiàn)與加勒比板塊運(yùn)動(dòng)方向成60°夾角的低速異常，可能為地幔熱物質(zhì)沿板塊撕裂上涌形成的低速異常體，為加勒比板塊撕裂提供了地球物理學(xué)證據(jù)（圖2c, d）。在俯沖的加勒比板塊上方發(fā)現(xiàn)一個(gè)高速異常區(qū)，它很可能代表著從馬拉開波地塊底部脫離出來的一片經(jīng)歷了榴輝巖化的加勒比大火成巖省（Caribbean Large Igneous Province）的碎塊（圖2a, b），并根據(jù)三維模型中的快慢速度異常補(bǔ)充了加勒比-南美洲俯沖帶0-10 Ma之間的板塊構(gòu)造歷史（圖3）。

圖1  （a）研究區(qū)域及其主要地表地質(zhì)構(gòu)造和板塊構(gòu)造背景；（b）本研究中所使用的遠(yuǎn)震事件；（c）研究區(qū)的地震活動(dòng)情況

圖2 橫波速度模型中得到快慢速度異常的三維視圖

圖3 二維卡通示意圖揭示加勒比大火成巖省從上覆馬拉開波地塊脫落以及加勒比板塊后撤過程

研究利用背景噪聲與遠(yuǎn)震面波聯(lián)合反演，獲得了加勒比-南美洲板塊俯沖帶的高分辨率橫波速度模型，研究成果可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)研究相關(guān)行業(yè)。對于地震研究部門，有助于深入了解板塊俯沖帶特征，可為華北地區(qū)整個(gè)上地幔精細(xì)結(jié)構(gòu)研究提供技術(shù)和理論支撐。該成果2024年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》（Miao, W., Cornthwaite, J., Levander, A., Niu, F., Schmitz, M., Li, G., et al. (2024). 3D shear velocity structure of the Caribbean—northwestern South America subduction zone from ambient noise and ballistic Rayleigh wave tomography. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 25, e2024GC011612. https://doi.org/10.1029/2024GC011612）。研究受美國NSF EAR 1459047、DQJB23R28、42304078、U1839210和42104043項(xiàng)目共同資助。

【作者簡介】

苗文培，地球內(nèi)部物理研究室，綜合地球物理成像與孕震環(huán)境研究學(xué)科組，助研。研究方向：多數(shù)據(jù)集聯(lián)合反演、殼幔各向異性研究、淺地表精細(xì)結(jié)構(gòu)以及地下介質(zhì)速度變化研究。以第一作者在EPSL、GRL、G3和EQS發(fā)表文章四篇。