吕彦等-JGR：中南美洲西北部地幔结构及板块动力学过程新认识

中南美洲西北部是纳斯卡板块、科科斯板块与南美板块和加勒比板块交汇碰撞的地区，具有复杂的板块构造和频繁的火山地震活动，是研究板块碰撞及俯冲动力学过程的关键区域（图1）。然而，受数据或方法的限制，前人成像研究的精度和分辨能力不足以准确回答一些重要的科学问题。例如，巴拿马火山间隙与科科斯板块东向俯冲以及加勒比板块南向俯冲之间存在怎样的关系？尼加拉瓜弧后火山下方的地幔结构是怎样的？卡尔达斯构造带南北两侧的速度和各向异性结构是否存在差异？这些科学问题都需要更精细的成像研究来进一步解决。

图1 中南美洲西北部地区地形图

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室的吕彦副研究员与合作者李娟研究员、博士生贺羽慧、赵连锋研究员、张金海研究员等，利用发展的地震波速度与各向异性联合成像方法，获得了中南美洲西北部地区第一个地幔顶部Pn波速度和各向异性综合模型（图2）。研究发现，尼加拉瓜弧后Azul火山下方存在独立的低速异常，显示该弧后火山下方的上涌热物质在地幔顶部与主火山弧是分离的。在巴拿马地区，地幔顶部的强低速带向东终止于巴拿马中部( 280 E)，显示科科斯板块向东俯冲引起的地幔热物质影响在巴拿马中部向东结束，而加勒比板块的南向俯冲导致了巴拿马东部地区小规模的地幔热物质上涌。

图2 中南美洲西北部地区地幔顶部Pn波速度与各向异性结构

尽管卡尔达斯构造带两侧的地震分布已表明纳兹卡板块的俯冲在该构造带两侧存在差异，然而前人的层析成像研究均未能对该地区可能的构造差异给出清晰的成像认识。该研究获得的高精度地幔顶部Pn波速度和各向异性模型，明确揭示了该地区南北两侧的速度及各向异性结构差异。基于该Pn波速度、各向异性结构和已有的地质观测，该研究提出了包含地幔流动和岩浆间隙的纳兹卡板块俯冲动力学模型：在哥伦比亚–厄瓜多尔火山弧下方的地幔顶部存在平行于火山弧的各向异性，在俯冲板块下方的地幔更深处存在垂直于火山弧的地幔流动，在卡尔达斯构造带附近存在板块撕裂及岩浆间隙（图3）。

图3 纳兹卡板块俯冲动力学过程示意图

成果发表于国际学术期刊JGR: Solid Earth（吕彦*，李娟，贺羽慧，赵连锋，张金海. Velocity and anisotropic structure of the uppermost mantle beneath Central America and northwestern South America from Pn tomography.Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127(4): e2021JB023643. DOI: 10.1029/2021JB023643）。研究受国家自然科学基金(41874066, 41674066)和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目“行星多圈层耦合”(IGGCAS-201904)资助。

美编：陈菲菲

校对：刘强