阿拉斯加大陸位于北美板塊，其南部同時(shí)受到太平洋板塊、雅庫塔微板塊和蘭格爾微板塊的北向俯沖作用 (圖1a)?；』鹕綇奈靼⒘羯晗驏|延伸至阿拉斯加大陸，在153°W處德納利斷層附近中斷，該處被稱為德納利火山空區(qū)，隨后在147°W處重新發(fā)育成Buzzard Creek-Jumbo Dome火山。因?yàn)闅め＝Y(jié)構(gòu)不明確，導(dǎo)致德納利火山空區(qū)的成因一直未得到很好的解釋。一般認(rèn)為雅庫塔板塊的平板俯沖可能會(huì)冷卻地幔楔并阻礙熱物質(zhì)上涌和火山的形成。前人通過速度成像方法嘗試對(duì)該問題進(jìn)行解答，但現(xiàn)存不同速度成像觀測(cè)之間存在顯著矛盾也因此造成對(duì)結(jié)果解釋的歧義。例如，人們?cè)诘录{利火山空區(qū)下方觀測(cè)到了高速上地幔，意味著上地幔中不存在熔融的巖漿物質(zhì)；但也有成像結(jié)果顯示上地幔為低速異常，說明熔融物質(zhì)可能已經(jīng)產(chǎn)生，只是沒有進(jìn)一步運(yùn)移至地表而形成火山。因此，火山空區(qū)下方地殼中是否存在熔融的巖漿物質(zhì)成為探明其成因的關(guān)鍵。
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在雅庫塔板塊的東緣，蘭格爾火山群的深部熱源也一直存在爭(zhēng)議。地球化學(xué)觀測(cè)到的埃達(dá)克巖漿活動(dòng)指示了蘭格爾火山群的形成可能與雅庫塔板塊俯沖相關(guān)的軟流圈上涌有關(guān)；數(shù)值模擬和地震各向異性觀測(cè)認(rèn)為蘭格爾火山群可能源于深部環(huán)形地幔流攜帶的熱物質(zhì)；蘭格爾火山活動(dòng)的形成也可以用板塊撕裂模型來解釋。因此，詳細(xì)的殼幔熱結(jié)構(gòu)成為約束上述問題的重要信息。
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地震波衰減成像是探測(cè)地球深部結(jié)構(gòu)的重要手段，能夠有效刻畫介質(zhì)溫度和殼幔流變強(qiáng)度的變化。地震Lg波主要在地殼內(nèi)傳播，其振幅衰減對(duì)地殼中的溫度和部分熔融非常敏感。因此，利用Lg波振幅衰減測(cè)量地殼巖體的品質(zhì)因子Q值能夠圈定地殼內(nèi)的熱分布，從而為德納利火山空區(qū)成因和蘭格爾火山群的深部熱源提供約束。
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圖1 (a) 阿拉斯加大陸構(gòu)造背景圖。紅色三角形表示火山的位置。Slab 2.0模型提供了太平洋板塊俯沖深度等值線(Hayes et al.,2018)。雅庫塔微板塊表示為藍(lán)色多邊形。BR：Brooks山脈，BJV：Buzzard Creek Jumbo Dome火山，CC：加拿大山脈， DF：德納利斷層，DVG：德納里火山空區(qū)，KP：Kenai半島，WVF：蘭格爾火山群；(b) 地震事件 (紅色空心圓) 和臺(tái)站分布
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中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地震學(xué)學(xué)科組的博士研究生楊庚、導(dǎo)師趙連鋒研究員、美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校的謝小碧研究員與其他合作者一起，基于阿拉斯加和加拿大密集地震臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù) (圖1b)，構(gòu)建了寬頻帶、高分辨率 (1°×1°) 的Lg波Q值模型 (圖2)，并用此信息推斷了阿拉斯加大陸的地殼熱結(jié)構(gòu)。
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圖2 阿拉斯加大陸地殼Lg波衰減模型。(a-c) 0.5 Hz、1.0 Hz 和 2.0 Hz 頻率下的Lg波衰減模型；(d) 0.5-2.0 Hz寬頻帶Lg波衰減模型
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Q值成像結(jié)果表明，較強(qiáng)的Lg波衰減所揭示的地殼熱異常與地表火山活動(dòng)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (圖3)，雅庫塔地體中部地殼則表現(xiàn)為弱衰減特征。這表明雅庫塔平板俯沖可能冷卻了地幔楔，并阻止了熱幔物質(zhì)侵入地殼。阿留申弧火山、Buzzard Creek-Jumbo Dome火山和蘭格爾火山群下方地殼為顯著的低Q值異常。相比之下，德納利火山空區(qū)下方地殼表現(xiàn)為弱衰減、高Q值特征 (圖3a-圖3b)。因此，火山空區(qū)下方地殼中并不存在足夠的熔體以形成火山活動(dòng)，與地表火山缺失現(xiàn)象一致。強(qiáng)衰減異常不僅存于火山下方，WVF火山群和BJV火山下方的低Q異常分別向南北和東西方向延伸，并存在弱連通現(xiàn)象。這可能說明地殼內(nèi)存在潛在的環(huán)形熔融，連接著WVF和BJV下方的巖漿囊 (圖4)。該1/4環(huán)狀地殼熔融的形成可能與雅庫塔板塊周緣的環(huán)形地幔流攜帶的熱物質(zhì)有關(guān)。
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圖3 阿拉斯加中南部地殼衰減和速度特征對(duì)比。(a)阿拉斯加中南部寬頻帶Lg波衰減模型；(b-d)頻率-衰減剖面與速度-深度剖面對(duì)比。速度數(shù)據(jù)來自Berg et al. (2020),Moho面深度數(shù)據(jù)取自CRUST1.0模型(Laske et al.,2013)。各剖面的地表位置由虛線標(biāo)于(a)中
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圖4 阿拉斯加中南部1/4環(huán)狀地殼熔融區(qū)示意圖
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研究成果發(fā)表在國(guó)際地學(xué)學(xué)術(shù)期刊JGR-Solid Earth (楊庚，趙連鋒*，謝小碧,何熹,張蕾,姚振興. Strong Lg-wave attenuation reveals quarter-toroidal crustal melting around the Yakutat terrane in south-central Alaska[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2024,129: e2024JB029104. DOI: 10.1029/2024JB029104.)。研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金 (U2139206,42104055,41974054,41974061),中國(guó)博士后科學(xué)基金 (2024M751295)，國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃 (GZC20240638) 的資助。