近日，地球科学领域Nature Index期刊《Earth and Planetary Science Letters》刊发了我校地空学院胡祥云教授团队的研究成果——Electrical resistivity imaging of continental United States from three-dimensional inversion of EarthScope USArray magnetotelluric data，论文第一作者为2017级博士研究生杨博，通讯作者为胡祥云教授。

美国透镜计划采集的大地电磁阵列数据是研究北美电性结构和演化的强有力工具。2006-2018年，平均点距70 km、采集时间约3周的长周期大地电磁（MT）测点覆盖了美国大陆的大部分地区（图1）。使用该数据子集的已有区域性研究揭示的深部（软流圈）电性结构的横向变化大多非常剧烈（图1），如果这些深部电性结构是稳定可靠的，则意味着上地幔水含量的显著变化，这将对地球的深水循环、地幔流变学和地球动力学产生深远的影响。然而，目前已有的区域性研究通常仅关注岩石圈的电性结构，除了简单的深度灵敏度测试，深部软流圈的电性结构尚未经过非常仔细的测试。

图1  MT测点分布（黑色和白色的点）以及使用常规3D反演得到的大陆尺度电性结构模型与先前区域性模型的对比。白色虚线框表示的三处区域性研究均使用所有的MT数据，而本次研究仅使用白色的测点以及粗糙的水平网格分辨率（30 vs.～15 km）。

为了测试美国大陆地区深部电性结构的稳定性和分辨率，我校博士研究生杨博与导师胡祥云教授和俄勒冈州立大学联合导师Gary Egbert 教授等利用美国透镜计划大地电磁阵列数据，构建了一系列美国大陆的三维电性结构模型。其中，使用常规的MT三维反演得到的电性结构模型的主要特征与已有的区域性研究结果非常相似（图1），深部电阻率均存在剧烈的（±1个数量级）横向变化（图1和2）。将深部（> 200 km）的三维电阻率替换为各自层位的自然对数平均值的一维层状模型，MT数据的拟合（使用全局归一化的拟合差nRMS)并未变差。通过对数据残差的仔细分析，研究区的电阻率模型得到了进一步的改善，数据拟合也略有提升。改善包括适度高导的地幔转换带（13 W.m）以及深部（> 200 km）电阻率细微的（±1/4个数量级）横向变化。与最初的电性结构模型（图1和2）相比，这些细微的深部电阻率的横向变化（图3）可以通过合理的温度和/或者水含量的变化来解释。

图2  常规MT 3D反演的（a）全周期数据拟合差（b）大于50 s的数据拟合差以及（c-h）不同深度的电阻率水平切片。

图3  最优电阻率模型深部不同深度的电阻率水平切片。MHB、SC和WYS 均表示克拉通地区；MCR表示北美中陆大裂谷；YS表示黄石热点地区。

研究结果表明，美国大陆地区的软流圈地幔在200-275 km的深度几乎是干燥的，在更深处含有约150 ppm的水，地幔转化带（平均电阻率约10-20 W.m）需要适量的水。研究区深部（200-410 km）电阻率的横向变化能够通过150-300 ppm的水含量变化或者80-120°C的温度变化的端元模型来解释，部分熔融是不需要的。美国大陆克拉通地区以及北美中陆大裂谷地区延伸到～250 km的高电阻率可能代表了这些区域较厚的岩石圈根（图3）；最古老的北中部地区以及黄石热点下方的高电导率（图3），预示着这些区域含有较多的水或者具有较高的温度。

论文信息：

Title: Electrical resistivity imaging of continental United States from three-dimensional inversion of EarthScope USArray magnetotelluric data

Authors: Bo Yang, Gary Egbert, Huiqian Zhang, Naser Meqbel, Xiangyun Hu*

Source: Earth and Planetary Science Letters, 15 December 2021, 117244

Available online：22 October 2021

DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117244

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21005008?via%3Dihub