俯沖板塊是板塊構(gòu)造理論的核心組成部分，其內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)與流變學(xué)性質(zhì)對(duì)地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過(guò)程有著深遠(yuǎn)影響。眾多研究表明，俯沖板塊巖石圈常在薄弱帶發(fā)生斷離或撕裂，導(dǎo)致其兩側(cè)的俯沖角度、熱結(jié)構(gòu)、脫水變質(zhì)過(guò)程等存在顯著差異，進(jìn)而影響地幔楔熔融、火山活動(dòng)、地震分布及成礦作用等一系列從深部地幔到地表的多尺度地質(zhì)過(guò)程。因此，深入探究俯沖板塊的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于深入理解地球內(nèi)部構(gòu)造變形及物質(zhì)循環(huán)等過(guò)程具有極其重要的科學(xué)意義。
在東北日本俯沖帶，古老的太平洋板塊以平均每年約10 cm的速度俯沖至Okhotsk板塊之下，這一過(guò)程直接促成了該地區(qū)成為地震和火山活動(dòng)的高發(fā)區(qū)。盡管東北日本是最早發(fā)現(xiàn)俯沖板塊內(nèi)雙層地震帶的地區(qū), 但在東北日本緯度40°N附近深度為100-200 km范圍內(nèi)，下層地震帶中的地震活動(dòng)卻顯著減少甚至消失（圖1b中B-B’剖面），這一獨(dú)特特征表明俯沖的太平洋板塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在明顯的結(jié)構(gòu)不均一性。然而，盡管東北日本地區(qū)擁有密集的地震臺(tái)站和豐富的數(shù)據(jù)，為地震學(xué)研究提供了優(yōu)越條件，但目前學(xué)者們對(duì)于東北日本俯沖的太平洋板塊內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)、不均一性的分布位置、形態(tài)及其成因等詳細(xì)信息仍然知之甚少。
圖1?日本北部的地震分布和地震臺(tái)站位置圖。（a）彩點(diǎn)表示2000年至2022年期間震級(jí)大于1.0的地震事件，其顏色表示震源深度。黑色三角形表示Hi-net地震臺(tái)站。黑色箭頭和旁邊的數(shù)字表示太平洋板塊俯沖的方向和速率。黑色線(xiàn)條表示垂直剖面的位置。紅色和藍(lán)色三角形分別表示活火山和第四紀(jì)火山。（b）在每個(gè)剖面中，彩點(diǎn)表示該剖面5公里內(nèi)的2000-2022年地震分布。紅色箭頭突出顯示了俯沖板塊內(nèi)部中深度地震活動(dòng)的顯著減少或缺失。（c）黑色三角形和彩色點(diǎn)分別表示Hi-net地震臺(tái)站和2009年2月至12月期間震級(jí)大于2.0的地震事件，這些事件被用于本研究的地震層析成像反演
針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王建研究員等人，利用其發(fā)展的震相拾取深度學(xué)習(xí)模型 PickNet，獲取了大量 P 波和 S 波的到時(shí)數(shù)據(jù)。與以往基于臺(tái)網(wǎng)中心提供及人工拾取的到時(shí)數(shù)據(jù)相比，PickNet 獲取的遠(yuǎn)震中距的到時(shí)數(shù)據(jù)明顯增多，極大地增強(qiáng)了對(duì)俯沖板塊內(nèi)部的射線(xiàn)覆蓋?；诖耍麄兝玫卣饘游龀上瘾@得了東北日本太平洋俯沖板塊內(nèi)部的高分辨率速度結(jié)構(gòu)。成像結(jié)果（圖2）清晰地揭示了太平洋俯沖板塊內(nèi)部確實(shí)存在一定規(guī)模的不均一性結(jié)構(gòu)，其特征為明顯的高Vp（> +3%）、相對(duì)高Vs（< +1%）和高Vp/Vs值異常（> +1%），該異常區(qū)域大致延伸至太平洋俯沖板塊的巖石圈深處，范圍大致位于東經(jīng)140.6°至142.0°度，北緯39.8°至40.2°之間（異常區(qū)大小約0.4°×0.4°×80km）。這一高Vp/Vs值異常區(qū)與該區(qū)俯沖板塊下層地震帶中中深地震活動(dòng)性顯著減少甚至缺失有著非常好的對(duì)應(yīng)性。
圖2?東北日本俯沖帶地區(qū)成像結(jié)果。黑實(shí)、虛線(xiàn)由淺到深分別是前人研究得到的Conrad、Moho、俯沖板塊上、下界面位置，對(duì)于速度異常，紅、藍(lán)色分別表示低速和高速異常；對(duì)于Vp/Vs值，紅、藍(lán)色分別表示高和低異常，(f)中紅五星附近區(qū)域示意俯沖板塊內(nèi)部的高Vp/Vs異常。白圈表示該剖面5公里內(nèi)的2000-2022年地震分布，藍(lán)紅三角分別表示第四紀(jì)火山和活火山
結(jié)合前人的巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并利用HeFESTo代碼計(jì)算了高溫高壓條件下礦物成分變化對(duì)地幔速度結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)圖3）。本研究提出了一種假說(shuō)：源自地幔熱上涌的富含鐵巖漿侵入了太平洋板塊的巖石圈地幔，從而促成了俯沖板塊內(nèi)部不均一速度結(jié)構(gòu)的形成（例如本研究中的高Vp/Vs值異常區(qū)）。Fe含量的增加降低了俯沖板塊巖石圈地幔的黏度，進(jìn)而抑制了地震活動(dòng)性。因此，該研究結(jié)果可能表明，鐵含量的增加可能是改變俯沖板塊力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，并可能導(dǎo)致板塊內(nèi)薄弱帶的形成。這些薄弱帶對(duì)于板塊在后期俯沖過(guò)程中發(fā)生的撕裂和脫離等現(xiàn)象至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)太平洋俯沖板塊內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制的研究，該研究結(jié)果進(jìn)一步深化了對(duì)板塊成分、流變學(xué)、地震活動(dòng)性以及相關(guān)地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程之間復(fù)雜關(guān)系的理解。
圖3?利用HeFESTo代碼計(jì)算的礦物成分和溫度變化對(duì)俯沖板塊地幔速度結(jié)構(gòu)的影響。Vp,nm和Vs,nm是正常地幔（采用Pyrolite模型）在3.8 GPa壓力和1200°C溫度下計(jì)算得到的參考一維速度模型；Vp和Vs是板塊地幔（采用改良的Harzburgite模型）不同成分和溫度條件下的計(jì)算得到速度值；溫度從1200°C（紅色）降低到600°C（藍(lán)色），各元素豐度由圓圈大小表示（越大表示該元素豐度越高），紅星是我們?cè)趫D2f所示異常區(qū)的反演結(jié)果
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊JGR: Solid Earth（王建，朱鄧達(dá)，張志剛，赫建明，陳凌，趙大鵬，姚振興.?Seismic evidence for large-scale intraslab heterogeneity beneath Northeast Japan [J].?Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2025, 130(4): e2024JB030046. DOI:?10.1029/2024JB030046.）。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（91958209, 42030308和 41474043 ）的資助。