位于地幔過渡帶上方的低速層結(jié)構(gòu)是近20年來地球物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。對(duì)于410-km間斷面上覆低速層結(jié)構(gòu)的探測(cè)（低速層的空間分布、厚度變化、低速異常值大小等）及其形成機(jī)理的研究是深部地幔結(jié)構(gòu)、物性和動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，對(duì)理解地幔對(duì)流模式、地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)移、熔體分布以及俯沖板塊在地球深部的歸宿等問題都有著非常重要的意義。
西北太平洋俯沖帶地區(qū)是全球最為典型的俯沖區(qū)域，這里板片的深部俯沖形態(tài)多樣，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。前人對(duì)該區(qū)域410-km間斷面上覆低速層結(jié)構(gòu)開展了一定的研究，探測(cè)到的低速層分布較為離散，海域和臺(tái)站稀少的大陸下方低速層分布研究較為匱乏。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院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的韓光潔博士、李娟研究員等利用三重震相波形擬合方法對(duì)西北太平洋俯沖地區(qū)410-km間斷面附近速度結(jié)構(gòu)展開了研究，成功探測(cè)到了分布在地幔過渡帶上方的低速層結(jié)構(gòu)。
三重震相的相對(duì)到時(shí)和振幅差異，包括按照震中距排列后的波列特征點(diǎn)出現(xiàn)位置等，都可以用來有效約束間斷面附近的速度結(jié)構(gòu)。研究者們主要利用國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合NECsaids流動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)資料，對(duì)5個(gè)發(fā)生在日本海地區(qū)的中等深度地震區(qū)域P波和S波波形進(jìn)行分析（圖1）。由于速度異常值大小與低速層厚度之間存在耦合關(guān)系，研究者們結(jié)合波形擬合和網(wǎng)格搜索方法，在一定的參數(shù)空間范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解?？紤]到俯沖板片的二維效應(yīng)，研究者們還討論了1D和2D速度模型之間的差異，在一定方位角范圍內(nèi)，即使是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的俯沖帶區(qū)域，1D模型也能較好的反映出410-km上覆低速層結(jié)構(gòu)特征。
圖1 用于研究的地震臺(tái)站由國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)（黑色倒三角）和NECsaids流動(dòng)地震臺(tái)陣（粉色三角）構(gòu)成。紅色震源球表示5個(gè)用于研究的地震事件，圖中散點(diǎn)為研究區(qū)域，右下角插圖表示該區(qū)域P波層析成像結(jié)果(Yoshio and Masayuki, 2013, JGR)
區(qū)域最優(yōu)速度模型明確顯示，在中國(guó)東北和日本海西北部地區(qū)410-km間斷面之上存在55-80 km厚的低速層結(jié)構(gòu)，P波異常值～-1.5%，S波異常值～-2.5%，東西向展布近900 km。對(duì)于前人研究較少的朝鮮和日本海地區(qū)，該研究都有較好的覆蓋（圖2）。礦物高溫高壓實(shí)驗(yàn)表明，隨著深度的增加（壓力的增大），固-液二面角逐漸減小，部分熔融體之間的連通性越好，對(duì)地震波速度的影響越明顯。地震區(qū)域?qū)游龀上衲Ｐ惋@示，太平洋板片停滯在地幔過渡帶內(nèi)部，與周圍地幔礦物會(huì)發(fā)生水化作用以及熱交換，形成不穩(wěn)定的上升流，穿過410-km間斷面時(shí)會(huì)由瓦茲利石相變?yōu)殚蠙焓?。由于上下地幔礦物儲(chǔ)水能力存在顯著差異，相變后的橄欖石很可能表現(xiàn)為飽和或過飽和狀態(tài)，誘發(fā)部分熔融，形成探測(cè)到的低速層結(jié)構(gòu)。因?yàn)槿垠w分?jǐn)?shù)較小，所以低速層可以保持較大的厚度而不被壓縮，且密度也與周圍地幔礦物相近，可以穩(wěn)定存在于410-km間斷面上方（圖3）。該研究為板片俯沖與地幔物質(zhì)循環(huán)之間的相互聯(lián)系提供了觀測(cè)證據(jù)。如果與俯沖板片相關(guān)的脫水機(jī)制正確，那么該低速層結(jié)構(gòu)很可能繼續(xù)向西延伸。
圖2 探測(cè)到的低速層分布位置與前人研究結(jié)果的對(duì)比
圖3 410-km間斷面上覆低速層結(jié)構(gòu)形成機(jī)理示意圖。左側(cè)圖中，地幔過渡帶上方的橘色區(qū)域表示本研究明確探測(cè)到的低速層存在位置，其左側(cè)的淡粉色區(qū)域表示低速層可能的西向延伸范圍。右圖展示了礦物顆粒間的微小結(jié)構(gòu)。在固-液二面角較小的情況下，熔體可以包裹住礦物顆粒的邊界，互相連通，顯著降低地震波速度(Yoshino et al., 2007, EPSL)
研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊EPSL。（韓光潔, 李娟*, 郭廣瑞, et al. Pervasive low-velocity layer atop the 410-km discontinuity beneath the northwest Pacific subduction zone: Implications for rheology and geodynamics[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2021, 554: 116642. DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116642）。研究受中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類“地球內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與表層響應(yīng)”（XBD18000000）以及國(guó)家自然科學(xué)基金的聯(lián)合資助。