Nature Geoscience：地幔過渡帶中俯衝板片界面成像

王新等-NG：地幔過渡帶中俯衝板片界面成像

摘要：俯衝帶是理解地球內部物質和能量交換的重要場所。俯衝板片在俯衝過程中與周圍地幔物質相互作用，在二者邊界上發生強烈且複雜的熱化學交換。對俯衝板片界面的認識是了解板片組分結構、深部水循環、地幔熔融等地球深部動力學相關過程的關鍵，然而200 km以下的俯衝板片界面是否清晰可辨仍然缺乏明確的結論。本研究在西北太平洋俯衝地區的地幔過渡帶內觀察到兩個尖銳且略微傾斜的地震波速度不連續面，分別代表了俯衝的太平洋板片高速體的上界面和下界面。通過多頻段接收函數波形模擬研究，我們認為俯衝板片的上界面與俯衝板片的莫霍面（洋殼、洋幔界面）相關，而俯衝板片下側軟流圈的部分熔融則導致板片的下界面清晰可辨。本研究較以往研究更加深入地幔，在約410-660 km深的地幔過渡帶內處觀測到明顯的俯衝板片界面，揭示了俯衝板片的層狀組分結構和板塊下側的高含水量。

板塊俯衝是地球上最宏大、最複雜的地質過程之一，是理解地球內部物質能量交換、大陸巖石圈演化、地震和火山活動及礦產資源分布等的重要環節。在板塊俯衝過程中，俯衝板片將冷的、不同組分的物質（如地表沉積物、玄武質洋殼、水等）帶入地幔，與周圍地幔相互作用，在二者邊界上發生強烈且複雜的熱化學交換。對俯衝板片界面的認識是理解板片幾何形態、組分結構、深部水循環、地幔熔融等地球深部動力學過程的關鍵。

在地球淺部（<200 km），不同俯衝帶的地震學探測均揭示出明顯的俯衝板片上、下界面（Kawakatsu and Watada，2007；Kawakatsu et al. 2009；Stern et al. 2015），即俯衝板片與周圍地幔物質存在顯著的地震波速度不連續面。在俯衝板片的上界面，板片大量脫水，與超鎂鐵質地幔巖反應形成含水礦物（如蛇紋石），顯著增強了俯衝板塊與上覆地幔楔之間的速度對比，從而形成地震學中觀測到的地震不連續面（Kawakatsu and Watada，2007）。儘管大多數水會在150-200 km的深度從洋殼中釋放出來，但在冷的俯衝環境下，水還可以通過儲存在硬柱石（lawsonite）和高密度含水鎂矽酸鹽（DHMSs）等礦物，或者以含羥基（OH）的名義無水礦物（NAMs）形式進入到地幔更深處（Iwamori， 2007；鄭永飛等，2016）。俯衝板片的下部界面，即大洋巖石圈與下伏軟流圈之間的邊界，也可能表現為明顯的速度不連續面（Kawakatsu et al. 2009；Stern et al. 2015）。例如，Kawakatsu et al.（2009）在日本島下方，觀測到了延伸至200 km深度的俯衝太平洋板片的下界面。俯衝板片下界面的成因，可能與下伏軟流圈頂部的高含水量和部分熔融有關，對深入了解俯衝的巖石圈與下伏軟流圈之間的解耦、板塊運動動力學等具有重要意義。然而200 km以下的俯衝板片界面迄今仍沒有較好地刻畫，是否清晰可辨仍然缺乏明確的結論。

針對俯衝板片的深部界面問題，中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室王新博士、陳棋福研究員、李娟研究員等，聯合美國萊斯大學、新加坡南洋理工大學地球觀測研究所、北京大學、中國地震局地震預測研究所、美國加州理工學院和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校等科研人員，就西北太平洋俯衝帶下方的俯衝板片精細結構展開探測研究（圖1）。該研究在410-660 km深的地幔過渡帶內探測到兩個尖銳且略傾斜的地震波速度不連續面，與研究區域的全波形層析成像結果以及深源地震的分布吻合較好，認為它們分別代表了俯衝的太平洋板片高速體的上界面和下界面（圖2）。通過多頻段接收函數波形模擬，並結合巖石高溫高壓實驗和地球動力學研究結果，研究團隊認為俯衝板片的上界面與俯衝板片的莫霍面（洋殼、洋幔界面）相關，而在地幔過渡帶含水情況下，俯衝板片下側軟流圈的部分熔融則導致板片的下界面清晰可辨（圖3）。

圖1 西北太平洋俯衝帶構造簡圖。彩色方塊代表該研究中用到的地震臺站（紫色表示研究團隊布設的NECsaids寬頻帶流動地震臺陣，藍色表示NECESS Array流動地震臺陣，橙色為國家固定臺站）。彩色圓圈表示深源地震，黑色虛線表示太平洋俯衝板片等深線。

圖2 地幔過渡帶中觀測到明顯的俯衝板片上、下界面。（a-b）全波形層析成像（Tao et al., 2018）結果，其中紅色代表低速異常，藍色代表高速異常。灰色圓圈表示深源地震，黑色等值線代表與俯衝板片相關的速度異常。（c-d）接收函數共反射點疊加剖面，其中紅色代表低速到高速（從淺到深）的跳變，藍色代表高速到低速（從淺到深）的跳變。該研究在地幔過渡帶中觀測到明顯的俯衝板片高速體的上、下界面分別用X1、X2標示。剖面位置見圖1。

圖3 俯衝板片界面形成機制解譯。（a）西北太平洋俯衝帶與俯衝板片相關的地震學觀測概覽。（b）地幔過渡帶深處（約410 km到660 km深度）的俯衝板片界面形成機制卡通示意圖。（c）典型地幔巖的S波速度結構。

研究成果發表於國際頂級學術期刊Nature Geoscience。（Wang X, Chen Q-F*, Niu F*, Wei S, Ning J, Li J,Wang W, Buchen J, Liu L. Distinct slab interfaces imaged within the mantle transition zone [J]. Nature Geoscience, 2020. DOI: 10.1038/s41561-020-00653-5）。本研究受中國科學院戰略性先導科技專項（B類）「地球內部運行機制與表層響應」（ XDB 18000000）、國家自然科學基金委「西太平洋地球系統多圈層相互作用」重大研究計劃的「西北太平洋俯衝板片形態與巖漿響應活動的地震精細成像」（91958209）重點支持項目等資助。

【致謝：感謝新生代室郭正府研究員對本文提出的寶貴修改意見】

主要參考文獻

鄭永飛, 陳仁旭, 徐崢, 張少兵, 俯衝帶中的水遷移[J].中國科學: 地球科學, 2016, 46(3): 253–286.

Iwamori H. Transportation of H₂O beneath the Japan arcs and its implications for global water circulation[J], Chemical Geology, 2007, 239(3-4): 182–198.

Kawakatsu H, Kumar P, Takei Y, et al.Seismic Evidence for Sharp Lithosphere-Asthenosphere Boundaries of Oceanic Plates[J]. Science, 2009, 324(5926): 499–502.

Kawakatsu H, Watada S. Seismic evidence for deep-water transportation in the mantle[J]. Science, 2007, 316(5830): 1468–1471.

Rosen J. The Subduction zone observatory takes shape[J]. Science, 2016, 353(6306): 1347-1348.

Stern T, Henrys S, Okaya D.et al. A seismic reflection image for the base of a tectonic plate[J]. Nature, 2015, 518: 85-88.

Tao K，Grand S P，Niu F.Seismic structure of the upper mantle beneath eastern Asia from full waveform seismic tomography[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018, 19(8): 2732–2763.

Tonegawa T, Hirahara K, Shibutani T, et al.Water flow to the mantle transition zone inferred from a receiver function image of the Pacific slab[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008,274(3-4): 346-354.

校對：陶琴