板塊俯沖是地球上最宏大、最復(fù)雜的地質(zhì)過程之一，是理解地球內(nèi)部物質(zhì)能量交換、大陸巖石圈演化、地震和火山活動及礦產(chǎn)資源分布等的重要環(huán)節(jié)。在板塊俯沖過程中，俯沖板片將冷的、不同組分的物質(zhì)（如地表沉積物、玄武質(zhì)洋殼、水等）帶入地幔，與周圍地幔相互作用，在二者邊界上發(fā)生強(qiáng)烈且復(fù)雜的熱化學(xué)交換。對俯沖板片界面的認(rèn)識是理解板片幾何形態(tài)、組分結(jié)構(gòu)、深部水循環(huán)、地幔熔融等地球深部動力學(xué)過程的關(guān)鍵。
在地球淺部（<200 km），不同俯沖帶的地震學(xué)探測均揭示出明顯的俯沖板片上、下界面（Kawakatsu and Watada，2007；Kawakatsu et al. 2009；Stern et al. 2015），即俯沖板片與周圍地幔物質(zhì)存在顯著的地震波速度不連續(xù)面。在俯沖板片的上界面，板片大量脫水，與超鎂鐵質(zhì)地幔巖反應(yīng)形成含水礦物（如蛇紋石），顯著增強(qiáng)了俯沖板塊與上覆地幔楔之間的速度對比，從而形成地震學(xué)中觀測到的地震不連續(xù)面（Kawakatsu and Watada，2007）。盡管大多數(shù)水會在150-200 km的深度從洋殼中釋放出來，但在冷的俯沖環(huán)境下，水還可以通過儲存在硬柱石（lawsonite）和高密度含水鎂硅酸鹽（DHMSs）等礦物，或者以含羥基（OH）的名義無水礦物（NAMs）形式進(jìn)入到地幔更深處（Iwamori， 2007；鄭永飛等，2016）。俯沖板片的下部界面，即大洋巖石圈與下伏軟流圈之間的邊界，也可能表現(xiàn)為明顯的速度不連續(xù)面（Kawakatsu et al. 2009； Stern et al. 2015）。例如，Kawakatsu et al.（2009）在日本島下方，觀測到了延伸至200 km深度的俯沖太平洋板片的下界面。俯沖板片下界面的成因，可能與下伏軟流圈頂部的高含水量和部分熔融有關(guān)，對深入了解俯沖的巖石圈與下伏軟流圈之間的解耦、板塊運(yùn)動動力學(xué)等具有重要意義。然而200 km以下的俯沖板片界面迄今仍沒有較好地刻畫，是否清晰可辨仍然缺乏明確的結(jié)論。
針對俯沖板片的深部界面問題，實驗室王新副研究員、陳棋福研究員、李娟研究員等，聯(lián)合美國萊斯大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)地球觀測研究所、北京大學(xué)、中國地震局地震預(yù)測研究所、美國加州理工學(xué)院和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校等科研人員，就西北太平洋俯沖帶下方的俯沖板片精細(xì)結(jié)構(gòu)展開探測研究（圖1）。該研究在410-660 km深的地幔過渡帶內(nèi)探測到兩個尖銳且略傾斜的地震波速度不連續(xù)面，與研究區(qū)域的全波形層析成像結(jié)果以及深源地震的分布吻合較好，認(rèn)為它們分別代表了俯沖的太平洋板片高速體的上界面和下界面（圖2）。通過多頻段接收函數(shù)波形模擬，并結(jié)合巖石高溫高壓實驗和地球動力學(xué)研究結(jié)果，研究團(tuán)隊認(rèn)為俯沖板片的上界面與俯沖板片的莫霍面（洋殼、洋幔界面）相關(guān)，而在地幔過渡帶含水情況下，俯沖板片下側(cè)軟流圈的部分熔融則導(dǎo)致板片的下界面清晰可辨（圖3）。
圖1 西北太平洋俯沖帶構(gòu)造簡圖。彩色方塊代表該研究中用到的地震臺站（紫色表示研究團(tuán)隊布設(shè)的NECsaids寬頻帶流動地震臺陣，藍(lán)色表示NECESSArray流動地震臺陣，橙色為國家固定臺站）。彩色圓圈表示深源地震，黑色虛線表示太平洋俯沖板片等深線。
圖2 地幔過渡帶中觀測到明顯的俯沖板片上、下界面。（a-b）全波形層析成像（Tao et al., 2018）結(jié)果，其中紅色代表低速異常，藍(lán)色代表高速異常。灰色圓圈表示深源地震，黑色等值線代表與俯沖板片相關(guān)的速度異常。（c-d）接收函數(shù)共反射點(diǎn)疊加剖面，其中紅色代表低速到高速（從淺到深）的跳變，藍(lán)色代表高速到低速（從淺到深）的跳變。該研究在地幔過渡帶中觀測到明顯的俯沖板片高速體的上、下界面分別用X1、X2標(biāo)示。剖面位置見圖1。
圖3 俯沖板片界面形成機(jī)制解譯。（a）西北太平洋俯沖帶與俯沖板片相關(guān)的地震學(xué)觀測概覽。（b）地幔過渡帶深處（約410 km到660 km深度）的俯沖板片界面形成機(jī)制卡通示意圖。（c）典型地幔巖的S波速度結(jié)構(gòu)。
大洋俯沖帶研究一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的前沿、熱點(diǎn)及難點(diǎn)（Rosen，2016；https://www.sz4d.org/）。近些年來，淺部俯沖板片界面的探測已取得較大進(jìn)展，但仍缺乏俯沖板片在深部的形態(tài)結(jié)構(gòu)研究，特別是板片界面在深部的探測，導(dǎo)致無法全面完整地認(rèn)識俯沖過程。本研究較以往研究更加深入地幔，在地幔過渡帶內(nèi)觀測到明顯的俯沖板片界面，揭示了俯沖板片的層狀組分結(jié)構(gòu)和板片下側(cè)的高含水量。
研究成果發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature Geoscience。（Wang X, Chen Q-F*, Niu F*, Wei S, Ning J, Li J, Wang W, Buchen J, Liu L. Distinct slab interfaces imaged within the mantle transition zone [J]. Nature Geoscience, 2020. DOI: 10.1038/s41561-020-00653-5）（原文鏈接）。本研究受中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）"地球內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與表層響應(yīng)"（ XDB 18000000）、國家自然科學(xué)基金委"西太平洋地球系統(tǒng)多圈層相互作用"重大研究計劃的"西北太平洋俯沖板片形態(tài)與巖漿響應(yīng)活動的地震精細(xì)成像"（91958209）重點(diǎn)支持項目等資助。
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