巖石圈–軟流圈邊界（Lithosphere–Asthenosphere Boundary,LAB）是劃分地球剛性巖石圈與黏塑性軟流圈的關(guān)鍵界面，其深度、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及物性變化對(duì)理解地球熱演化和板塊構(gòu)造具有重要意義。傳統(tǒng)地震學(xué)研究認(rèn)為，LAB處普遍存在一個(gè)地震波速度急劇下降的界面，與部分熔融密切相關(guān)(Chen et al.,2008;Fischer et al.,2010;Wang et al.,2024)。然而，近年來(lái)的高分辨率地球物理觀測(cè)表明，LAB?并非單一速度突降面，而是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層系統(tǒng)（Lithosphere–Asthenosphere Boundary Zone，?LAB zone）（圖1）。例如，勘探地震學(xué)在大西洋識(shí)別到相距約10 km的正負(fù)速度界面(Mehouachi & Singh,2018)，新西蘭等地亦觀測(cè)到厚度可達(dá)10–12 km的熔體滯留帶(Herath et al.,2022;Stern et al.,2015)，反映?LAB?可能為一個(gè)熔體薄層主導(dǎo)的“LAB zone”。多學(xué)科觀測(cè)均顯示從巖石圈到軟流圈存在明顯的物性突變，但不同方法在刻畫(huà)其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)方面具有顯著差異。這些差異不僅源于各方法對(duì)物性參數(shù)的敏感度差異，更暗示LAB系統(tǒng)可能存在復(fù)雜多層級(jí)結(jié)構(gòu)和/或動(dòng)態(tài)行為。
圖1 LAB為單一地震波速度突降面（左）與LAB zone作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層系統(tǒng)（右）的示意圖
馬里亞納俯沖帶作為典型的大洋俯沖系統(tǒng)（圖2），具有年齡古老、富水性強(qiáng)等特征，為研究俯沖帶深部水循環(huán)及?LAB?結(jié)構(gòu)提供了天然窗口。然而，由于海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer，OBS）的稀疏部署以及海底高噪聲環(huán)境、海水和沉積物的影響，許多陸地地震學(xué)方法難以直接應(yīng)用，而需要面向OBS數(shù)據(jù)的方法來(lái)提升海底地下精細(xì)結(jié)構(gòu)成像能力。
圖2?馬里亞納海溝區(qū)域及單臺(tái)?OBS?接收函數(shù)波形。(a)?橙色倒三角為本研究采用的?OBS?臺(tái)站位置；黃色實(shí)線表示海溝，灰色震源球來(lái)自?GCMT?目錄（1900–2023），黃色虛線表示?Slab 2.0?模型給出的俯沖板片深度；(b)?各臺(tái)站觀測(cè)獲得的徑向接收函數(shù)，按?OBS?部署深度由淺至深排序
針對(duì)上述科學(xué)挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士研究生張嘉惠在特聘研究員王新的指導(dǎo)下，聯(lián)合多位合作者，發(fā)展了適用于OBS的巖石圈尺度成像方法，并成功獲得馬里亞納俯沖帶的S波速度結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)利用正演模擬系統(tǒng)評(píng)估水層和深海沉積層對(duì)接收函數(shù)及面波頻散的影響；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了顯式考慮水層效應(yīng)的跨維貝葉斯聯(lián)合反演方法。該方法通過(guò)多頻接收函數(shù)與面波頻散數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演，充分利用兩類(lèi)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)敏感性，并在反演模型中引入水層厚度等先驗(yàn)條件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋下方巖石圈結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確刻畫(huà)。
圖3?示例?OBS?臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)與反演結(jié)果。(a) B02S?臺(tái)站，位于板片俯沖前的海溝外側(cè)；(b) B15L?臺(tái)站，位于板片俯沖后的弧前區(qū)域。圖中展示了不同濾波頻帶下的接收函數(shù)觀測(cè)波形及其反演擬合結(jié)果、對(duì)應(yīng)的面波頻散曲線與擬合結(jié)果，以及反演獲得的S波速度模型的后驗(yàn)概率密度分布。Vs模型中紅線表示反演得到的平均速度結(jié)構(gòu)。圖中高亮區(qū)域分別標(biāo)示了地殼、與地幔水化有關(guān)的上地幔低速層以及富熔融的巖石圈–軟流圈邊界
研究結(jié)果（圖3、圖4）表明，在即將俯沖的太平洋板塊頂部（10–35 km）存在顯著低速層（LVZ），反映上地幔經(jīng)歷強(qiáng)烈蛇紋巖化。與傳統(tǒng)僅依賴面波的研究相比(Cai et al.,2018)，本次成像得到的?LVZ?更深、速度更低，表明地幔實(shí)際含水量可能更高。根據(jù)巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算，該區(qū)域蛇紋巖化程度可達(dá)14–32%，對(duì)應(yīng)含水量最高約4 wt%，提升了對(duì)深部水輸入規(guī)模的認(rèn)知。
圖4 (a) OBS?臺(tái)站下方的一維?S?波速度結(jié)構(gòu)沿海溝法線方向投影。粗虛線表示?Slab 2.0?模型。上方圖像顯示沿剖面測(cè)得的海底地形數(shù)據(jù)及臺(tái)站位置。右側(cè)插圖突出顯示了巖石圈底部觀測(cè)到的低速區(qū)；(b)?與Cai et al. (2018)速度結(jié)構(gòu)的對(duì)比；(c)馬里亞納俯沖帶區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖
該研究最重要的發(fā)現(xiàn)是在約?70 km?深度的巖石圈底部識(shí)別出一處速度先快速下降、后迅速回升的?LVZ，構(gòu)成一層厚約?15 km?的富熔體帶（圖3、圖4）。該結(jié)構(gòu)與主動(dòng)源地震成像揭示的?LAB?復(fù)雜性一致，但本研究首次通過(guò)?OBS?被動(dòng)源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高分辨率刻畫(huà)。該?LVZ?的約?10%?速度下降對(duì)應(yīng)?1–4%?的部分熔融(Wang et al.,2024)，說(shuō)明?LAB?并非簡(jiǎn)單單一界面，而是內(nèi)部存在熔體富集的層狀系統(tǒng)。這一熔體滯留帶可顯著降低黏度，增強(qiáng)巖石圈–軟流圈之間的力學(xué)解耦，是驅(qū)動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)的重要深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊?GRL（張嘉惠、王新*、蔡晨、王元、楊建鋒、黃興國(guó). Seismic Imaging of Upper Mantle Serpentinization and Ponded Melt at the Boundary of the Lithosphere and Asthenosphere in the Central Mariana Subduction Zone [J].?Geophysical Research Letters,2025,52: e2025GL119716. DOI:?10.1029/2025GL119716.）。研究得到中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0802600）和國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 42106067）的資助。
張嘉惠（博士生）