以震波非均向性揭示亞美尼亞高地地函分層流與岩石圈漸薄之交互關係
童靖惠、曾泰琳
國立臺灣大學地質科學系
位於西亞的土耳其—伊朗高原和高加索地區是由阿拉伯板塊與歐亞板塊在兩千五百萬年前開始碰撞所逐漸形成的大陸造山帶，這樣的大規模陸—陸板塊碰撞通常伴隨著廣泛的火成活動與岩石圈減薄/剝離。本研究區域所在的亞美尼亞高地不僅擁有廣泛且年輕(<2Ma)的碰撞後火成活動(Lin et al., 2020)，其下方的岩石圈厚度側向差異可達約50公里(Ho et al., 2016)，顯示亞美尼亞正處於岩石圈碰撞後減薄的關鍵過渡帶。
本研究與亞美尼亞科學院合作，由中研院地球所與臺大地質系提供儀器，於高加索區域架設地震網(圖一)，分析十多年間的SKS和SKKS波相的剪力波分離(shear-wave splitting)資料來解構火山高原下方地函震波非均向性之空間變化(圖二a)，進而推測該區地函流動方向及其動力學(圖二b)。結果顯示，在大尺度上的非均向性呈現東北西南的快軸方向，與鄰近區域的前人研究一致，但和絕對板塊方向存在系統上的偏轉，本研究透過順推模擬進一步將結果以雙層地函流來解釋：假若軟流圈最上層的流動與板塊運動方向耦合，深層流方向則可能是被地中海隱沒所牽引的向北流場，可通往非洲的Afar地區上湧熱柱(Faccenna et al., 2013)。在小尺度上，亞美尼亞西南部(即岩石圈厚度劇烈改變處)之非均向性方向與強度皆呈現明顯的空間變化，暗示地函流動沿著未完全脫落的岩石圈邊緣而發生偏折。此外，該區岩石圈地函和周遭軟流圈的側向溫度落差大，有利於發展邊緣驅動對流(edge-driven convection)，使岩石圈持續向東側減薄。此過程不僅促成地函流動方向的偏折與非均向性強度減弱，也解釋碰撞後火山活動向東遷移的現象。
圖一、本研究於東安那托利亞—高加索地區分析之地震測站分佈圖。地震測站(方形)依地震網來源著色，AM與TG為中研院地球所與臺大地質系協助建置之地震網。右上角插圖顯示研究區(紅色矩形)、板塊邊界(灰線)、阿拉伯板塊與安那托利亞地塊(ANA)相對於歐亞板塊的運動方向(黑箭頭)，以及Faccenna et al. (2013)提出之來自Afar上湧的地函流動(橘色箭頭)，岩石圈厚度以黑色等值線表示。
圖二、剪力波分離結果投影至深度100 km對照圖(a)與本研究提出之高加索區域地函動力學概念模型(b)。(a)雙向箭頭代表小高加索(白色)與亞美尼亞高原西南部(黃色)之平均剪力波分離參數。岩石圈厚度變化以等值線表示，絕對板塊方向以橘色單向箭頭表示。(b)紅色與白色粗箭頭表示大尺度雙層流場，淺處細箭頭強調小尺度於岩石圈邊緣偏轉之地函流。
參考文獻
Faccenna, C., Becker, T. W., Jolivet, L., & Keskin, M. (2013). Mantle convection in the Middle East: Reconciling Afar upwelling, Arabia indentation and Aegean trench rollback. Earth and Planetary Science Letters, 375, 254–269. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.05.043
Ho, T., Priestley, K., & Debayle, E. (2016). A global horizontal shear velocity model of the upper mantle from multimode Love wave measurements. Geophysical Journal International, 207(1), 542–561. https://doi.org/10.1093/gji/ggw292
Lin, Y.-C., Chung, S.-L., Bingöl, A. F., Yang, L., Okrostsvaridze, A., Pang, K.-N., Lee, H.-Y., & Lin, T.-H. (2020). Diachronous initiation of post-collisional magmatism in the Arabia-Eurasia collision zone. Lithos, 356–357, 105394. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105394
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