地幔過渡帶是指地下410-km和660-km不連續(xù)面（間斷面）之間的地幔部分，是聯(lián)系上下地幔的紐帶。俯沖的海洋巖石圈和地幔過渡帶之間的相互作用是地球動力學(xué)研究的一個關(guān)鍵問題。通過對410-km和660-km間斷面深度的探測，可以為了解地幔溫壓條件、物質(zhì)組分、巖石圈深俯沖等地球深部動力學(xué)問題提供重要途徑。
西北太平洋俯沖帶北起千島群島，中經(jīng)日本伊豆-小笠原地區(qū)，南至馬里亞納群島，是世界上最典型、最集中的俯沖帶（圖1a）。該區(qū)域的中深源地震分布及遠(yuǎn)震體波層析成像結(jié)果顯示：西北太平洋板片以較低角度 (～30°)俯沖，一直俯沖到我國東北地區(qū) 660-km 間斷面附近。受海域臺站分布限制，前人研究大都關(guān)注太平洋俯沖板片與 660-km 間斷面的相互作用(如我國東北下方)，而忽視了海域地區(qū)俯沖板片與 410-km 間斷面的相互作用(如日本海下方) 。
圖1（a）西北太平洋俯沖地區(qū)及本研究中用到的地震事件和臺站分布；（b）長周期ScS多次反射波；（c）ScS多次反射波主震相(紅色) 和反射震相(藍(lán)色)的射線路徑
針對上述問題，中科院地質(zhì)地球所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室的博士生王新與導(dǎo)師李娟研究員和陳棋福研究員發(fā)展了用于海域下方上地幔間斷面結(jié)構(gòu)研究的ScS 多次反射波方法（圖1b和c），并將該方法應(yīng)用到日本海地區(qū)，獲得了日本海及其周邊區(qū)域上地幔間斷面結(jié)構(gòu)（圖2）。研究表明：（1）長周期ScS 多次反射波方法是一種有效的研究海洋下方上地幔間斷面結(jié)構(gòu)的手段；（2）日本島西南部、日本海西部和鄂霍次克海南部的660-km間斷面總體表現(xiàn)為下沉，幅度約為15-20km。660-km間斷面的下沉體現(xiàn)了冷的俯沖板片與間斷面的相互作用；（3）日本島東部660-km間斷面表現(xiàn)為上隆，幅度約為15km，主要受俯沖板片后方熱異常影響；（4）400km貝尼奧夫等深線附近，對應(yīng)于冷的太平洋板片與地幔過渡帶相互作用區(qū)域，410-km間斷面局部上隆，幅度約為15km；（5）在日本島東部，受俯沖板片后方熱異常影響，410-km間斷面發(fā)生輕微下沉；（6）在500km貝尼奧夫等深線以西，俯沖板片的上方，410-km間斷面出現(xiàn)大范圍下沉。他們認(rèn)為在日本海西側(cè)、鄂霍次克海南部，以及中國東北地區(qū)觀測到的410-km間斷面的下沉與地幔過渡帶頂部高含水量有關(guān)。而該區(qū)域的普遍下沉，可能與新生代以來太平洋板塊的快速后撤相關(guān)。
圖2（a）和（b）410-km和660-km間斷面起伏形態(tài)。（c）ScS共反射點疊加剖面
該研究成果近期發(fā)表在國際著名地球物理期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth ( Wang et al. Topography of the 410？km and 660？km discontinuities beneath the Japan Sea and adjacent regions by analysis of multiple-ScS waves. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122: 1264–1283)。