巖石圈-軟流圈邊界（Lithosphere-Asthenosphere Boundary，LAB）是地球內(nèi)部剛性巖石圈和粘塑性軟流圈之間的分界面，對(duì)理解板塊構(gòu)造至關(guān)重要。在大洋地區(qū)，LAB在地震學(xué)成像中通常表現(xiàn)為尖銳的地震波速間斷面（稱為plate-LAB），其形成機(jī)制普遍認(rèn)為與部分熔融相關(guān)(Rychert et al., 2020)。富含熔體的LAB能在一定程度上使巖石圈板塊與下覆軟流圈解耦，從而促進(jìn)板塊運(yùn)動(dòng)(Debayle et al., 2020; Stern et al., 2015)。大洋板塊俯沖進(jìn)入地幔后（即俯沖板片），其LAB是否仍富含熔體、因而表現(xiàn)為尖銳的地震波速間斷面（稱為slab-LAB）？迄今為止，地球物理成像研究僅在日本俯沖帶（年齡～130 Ma）和新西蘭俯沖帶（年齡～120 Ma）觀測(cè)到slab-LAB，而年輕的俯沖帶地區(qū)是否存在slab-LAB尚不清楚（圖1）。富含熔體的plate-LAB和slab-LAB是否與板塊的年齡相關(guān)是理解俯沖動(dòng)力學(xué)的基本問題之一。
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圖1 俯沖帶地區(qū)富含熔體的slab-LAB研究現(xiàn)狀及爭(zhēng)議(Hawley et al., 2016; Kawakatsu et al., 2009; Naif et al., 2013; Rychert et al., 2018; Stern et al., 2015)
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中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所王新特聘研究員、陳凌研究員、陳棋福研究員、楊建鋒特聘研究員，聯(lián)合加拿大地質(zhì)調(diào)查局王克林研究員和美國加州理工學(xué)院詹中文教授，基于密集臺(tái)陣接收函數(shù)界面成像技術(shù)，首次在年輕且熱的北美Cascadia俯沖帶地區(qū)（年齡～10 Ma）觀測(cè)到尖銳的slab-LAB地震學(xué)間斷面（圖2）。對(duì)比研究顯示，該間斷面位于地震層析成像約束的俯沖Cascadia高速板片(Delph et al., 2018)下邊界，且與俯沖前Juan de Fuca板塊的plate-LAB間斷面成像結(jié)果(Rychert et al., 2018)較好匹配連接，表明不同研究結(jié)果之間相互吻合、印證。進(jìn)一步通過多頻段接收函數(shù)波形模擬，定量約束slab-LAB處S波速度在3km深度范圍內(nèi)降低近10%（圖3），可以用約1%的部分熔融來解釋。
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圖2 研究區(qū)域 (a-c)及成像結(jié)果(d-f)。其中，d-f分別表示基于密集臺(tái)陣的相干接收函數(shù)成像結(jié)果、相應(yīng)信號(hào)的可靠性和對(duì)應(yīng)剖面的地震層析成像模型(Delph et al., 2018)
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圖3 該研究中關(guān)注的俯沖板片地震波速間斷面屬性分析結(jié)果
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該研究中探測(cè)到的位于年輕（～10 Ma）且熱的Cascadia俯沖帶地區(qū)的slab-LAB，與老（～130 Ma）而冷的日本俯沖帶地區(qū)觀測(cè)的slab-LAB在界面強(qiáng)度和尖銳程度上相一致。全球綜合對(duì)比表明，無論是老的還是年輕的俯沖帶地區(qū)，或是俯沖前的大洋巖石圈底部，均觀測(cè)到相似強(qiáng)度和尖銳程度的地震波速間斷面，可能表明了富含熔體LAB的普遍存在。slab-LAB處富含熔體會(huì)顯著降低地幔的粘滯度，一定程度上使俯沖板片與下伏軟流圈解耦，從而影響俯沖動(dòng)力學(xué)過程(Carluccio et al., 2019; Sun et al., 2024)。富含熔體的slab-LAB的全球性分布可能需要我們重新審視俯沖帶流變性，進(jìn)而增進(jìn)對(duì)俯沖速率、俯沖板片形態(tài)，以及俯沖帶大地震成因及周期形變等的理解和認(rèn)識(shí)。
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該研究提供了年輕俯沖帶地區(qū)存在富含熔體slab-LAB的地震學(xué)證據(jù)。但到目前為止，不同研究中關(guān)于slab-LAB精細(xì)結(jié)構(gòu)的成像結(jié)果仍有較大的差異（圖1）。例如，基于天然地震資料觀測(cè)到的slab-LAB為負(fù)的地震波速間斷面，而基于勘探地震學(xué)資料得到的slab-LAB為一組包含負(fù)-正的地震波速間斷面（LAB系統(tǒng)），與此對(duì)應(yīng)的部分熔融程度、動(dòng)力學(xué)成因、巖石圈與軟流圈解耦作用等仍然存在較大爭(zhēng)議。綜合不同地球物理學(xué)探測(cè)方法，并對(duì)比研究不同俯沖帶地區(qū)slab-LAB的地球物理屬性，以及俯沖前plate-LAB與俯沖后slab-LAB的結(jié)構(gòu)異同，對(duì)深入理解大洋巖石圈性質(zhì)、流變行為和俯沖動(dòng)力學(xué)過程具有重要意義。
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研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（王新，陳凌*，王克林，陳棋福，詹中文，楊建鋒. Seismic evidence for melt-rich lithosphere-asthenosphere boundary beneath young slab at Cascadia [J]. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47887-0.）。研究受國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目（2022YFF0802600）、國家自然學(xué)科基金（91958209 和42288201）、中國科協(xié)青年人才托舉工程（2020QNRC001）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904）聯(lián)合資助。
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