邊緣海盆地開成機制研究不僅能夠豐富和完善板塊構(gòu)造理論，而且是大洋與大陸地質(zhì)研究的紐帶。西太平洋板塊的巖石圈在日本島弧俯沖，由俯沖回退造成的地幔對流驅(qū)動了大陸裂解、弧后盆地擴張和邊緣海形成。然而，在西太平洋板塊和菲律賓板塊的共同俯沖作用下，導致了復雜的巖漿活動和多種模式的地幔對流，因而使得對日本海張開機制的解釋存在巨大爭議 (圖1)。地球化學測年和古地磁數(shù)據(jù)表明，日本島弧的西南和東北微陸塊各自圍繞兩個旋轉(zhuǎn)極順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)約56°和47°，成為日本海形成的“雙扇門”張開機制的基礎(chǔ)。然而，由于在地表并未觀測到島弧旋轉(zhuǎn)引起的變形，日本?？梢栽诔r半島邊緣和日本弧東北部的兩個右旋走滑斷層的拉分作用下張開。伴隨而生的還有走滑加旋轉(zhuǎn)的張開模型。這些日本海形成機制模型主要是根據(jù)古地磁證據(jù)或淺層地球物理觀測資料，因缺乏來自深部地幔物理狀態(tài)的約束而難以決定取舍。
圖1. 日本海及周邊地區(qū)地形圖。(a) 日本海區(qū)域構(gòu)造示意圖。虛線表示太平洋和菲律賓板塊俯沖深度等值線。(b-c) 為不同的邊緣海張開機制，包括大洋巖石圈下插引起的地幔對流 (b) 和俯沖回退產(chǎn)生的上升對流 (c)。
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室地震學學科組的博士研究生楊庚、導師趙連鋒研究員、美國加州大學圣克魯茲分校的謝小碧研究員與其他合作者一起，通過構(gòu)建寬頻帶 (0.5-20.0 Hz)，高分辨率 (1°×1°) Pn波衰減模型，獲得了日本海區(qū)域巖石圈上地幔頂部的熱結(jié)構(gòu)。Pn波主要在上地幔頂部傳播，在震中距200至2000 km的區(qū)域地震圖上表現(xiàn)為典型的初至震相 (圖2)。由于該震相經(jīng)由上地幔頂部穿越海洋巖石圈，受地殼結(jié)構(gòu)的影響較小且不易受其他前驅(qū)震相的干擾，Pn波的強烈衰減能夠較好地指示上地幔熱物質(zhì)的賦存區(qū)域。再結(jié)合Pn波速度和各向異性資料，能夠推測巖漿運移和地幔對流的模式，為日本海區(qū)域巖石圈變形和演化提供約束。圖3顯示了寬頻帶衰減成像結(jié)果，其中板內(nèi)火山、對馬盆地、日本盆地西北緣和日本島弧的火山系統(tǒng)均表現(xiàn)出顯著的強衰減。相比之下，日本海溝表現(xiàn)為弱衰減和高Pn速度，對應于較冷的俯沖板塊。
圖2. Pn波射線追蹤。(a-d) 作為例子給出四段Pn波射線。每幅圖中包括基于CRUST 1.0 提取的二維速度模型，追蹤初至P波獲得的Pn射線路徑 (紅線)。波前等時線 (細黑線)，間隔為2.5 s。, 和 分別為震源、臺站和上地幔頂部附近的縱波速度。(e) 四段射線所對應的地震事件 (五角星)、臺站 (三角形) 及沿大圓路徑的射線分布圖。
圖3. (a) 本研究得到的日本海及周邊地區(qū)寬頻帶Pn波衰減模型。 (b) Pn波速度模型及各向異性。JB=日本盆地；TB=對馬盆地；YB=大和盆地；KP=朝鮮高原；YR=大和海山；JV=鏡泊湖火山；CV=長白山火山；C-RV=中加良火山。
在中國東北地區(qū)下方，軟流圈熱物質(zhì)的上升運動可能在上地幔頂部形成多條通道，成為長白山、鏡泊湖和中加良火山的巖漿供給源 (圖3a)。在日本海下方，兩條Pn波強衰減帶與Pn波快軸方向吻合 (圖4a)，可能說明地幔流從中國東北向東和向南流動 (圖4b-d)。Pn波速度成像和各向異性結(jié)果表明在日本海下方存在橫向地幔流。Pn波衰減模型揭示出，兩條地幔流的位置垂直于俯沖海溝的走向，且與西太平洋和菲律賓板塊俯沖回退的方向吻合，因而其驅(qū)動力也許能夠歸因于菲律賓海和太平洋板塊的俯沖以及由此產(chǎn)生的發(fā)散回退。中新世至上新世期間，在發(fā)散地幔流推動下，日本海可能呈“雙扇門”狀旋轉(zhuǎn)張開(圖4e)?，F(xiàn)今日本弧火山向西遷移，說明日本?？赡苷幱陂]合的初始階段，這一過程并不會明顯改變地幔流形態(tài)。日本海盆西北邊緣和對馬盆地都具有較厚的洋殼結(jié)構(gòu)，以及強烈的Pn波衰減，說明地幔熱物質(zhì)運移過程不斷對上覆地殼加熱，并使之熔融和增厚，遂形成現(xiàn)今獨特的地殼結(jié)構(gòu)及相應的弧后盆地系統(tǒng)。
圖4. 日本海區(qū)域地幔流形態(tài)及張開方式示意圖。(a) “雙扇門”張開模型。藍色扇形區(qū)表示日本島弧圍繞兩個旋轉(zhuǎn)極 (紅色實心圓) 順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)了約56°和47° (Otofuji et al., 1985)。橙、藍色條分別表示Pn波各向異性 (Lü et al., 2019) 和剪切波分裂 (Long and van der Hilst, 2005) 的快波方向。黑色虛線為兩條衰減剖面b, c的位置。(b) 5.0 Hz Pn衰減模型。(c-d)衰減-頻率剖面。(e)日本海區(qū)域地幔流形態(tài)示意圖。紅色箭頭指示地幔流可能的前進方向。
研究成果發(fā)表在國際知名地學學術(shù)期刊GRL (楊庚, 趙連鋒*, 謝小碧, 何熹, 呂彥, 姚振興. (2022). “Double door” opening of the Japan Sea inferred by Pn attenuation tomography. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099886. https://doi.org/10.1029/2022GL099886)。本研究受到國家自然科學基金（41674060, 41630210, 41974054, 41974061）和中國地震科學實驗場（2019 CSES 0103, 2016 CSES 0203）的聯(lián)合資助。