韓光潔等-EPSL：410-km間斷面上覆低速層結構研究
位於地幔過渡帶上方的低速層結構是近20年來地球物理學領域的壹個重要發現。對於410-km間斷面上覆低速層結構的探測（低速層的空間分布、厚度變化、低速異常值大小等）及其形成機理的研究是深部地幔結構、物性和動力學研究的熱點問題，對理解地幔對流模式、地球內部物質運移、熔體分布以及俯沖板塊在地球深部的歸宿等問題都有著非常重要的意義。
西北太平洋俯沖帶地區是全球最為典型的俯沖區域，這裏板片的深部俯沖形態多樣，結構也較為復雜。前人對該區域410-km間斷面上覆低速層結構開展了壹定的研究，探測到的低速層分布較為離散，海域和臺站稀少的大陸下方低速層分布研究較為匱乏。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的韓光潔博士、李娟研究員等利用三重震相波形擬合方法對西北太平洋俯沖地區410-km間斷面附近速度結構展開了研究，成功探測到了分布在地幔過渡帶上方的低速層結構。
三重震相的相對到時和振幅差異，包括按照震中距排列後的波列特征點出現位置等，都可以用來有效約束間斷面附近的速度結構。研究者們主要利用國家數字地震臺網數據，結合NECsaids流動臺陣觀測資料，對5個發生在日本海地區的中等深度地震區域P波和S波波形進行分析（圖1）。由於速度異常值大小與低速層厚度之間存在耦合關系，研究者們結合波形擬合和網格搜索方法，在壹定的參數空間範圍內尋找最優解。考慮到俯沖板片的二維效應，研究者們還討論了1D和2D速度模型之間的差異，在壹定方位角範圍內，即使是在結構復雜的俯沖帶區域，1D模型也能較好的反映出410-km上覆低速層結構特征。
圖1 用於研究的地震臺站由國家地震臺網（黑色倒三角）和NECsaids流動地震臺陣（粉色三角）構成。紅色震源球表示5個用於研究的地震事件，圖中散點為研究區域，右下角插圖表示該區域P波層析成像結果 （Y oshio and Masayuki, 2013, JGR）
區域最優速度模型明確顯示，在中國東北和日本海西北部地區410-km間斷面之上存在55-80 km厚的低速層結構，P波異常值 -1.5%，S波異常值 -2.5%，東西向展布近900 km。對於前人研究較少的朝鮮和日本海地區，該研究都有較好的覆蓋（圖2）。礦物高溫高壓實驗表明，隨著深度的增加（壓力的增大），固-液二面角逐漸減小，部分熔融體之間的連通性越好，對地震波速度的影響越明顯。地震區域層析成像模型顯示，太平洋板片停滯在地幔過渡帶內部，與周圍地幔礦物會發生水化作用以及熱交換，形成不穩定的上升流，穿過410-km間斷面時會由瓦茲利石相變為橄欖石。由於上下地幔礦物儲水能力存在顯著差異，相變後的橄欖石很可能表現為飽和或過飽和狀態，誘發部分熔融，形成探測到的低速層結構。因為熔體分數較小，所以低速層可以保持較大的厚度而不被壓縮，且密度也與周圍地幔礦物相近，可以穩定存在於410-km間斷面上方（圖3）。該研究為板片俯沖與地幔物質循環之間的相互聯系提供了觀測證據。如果與俯沖板片相關的脫水機制正確，那麽該低速層結構很可能繼續向西延伸。
圖2 探測到的低速層分布位置與前人研究結果的對比
圖3 410-km間斷面上覆低速層結構形成機理示意圖。左側圖中，地幔過渡帶上方的橘色區域表示本研究明確探測到的低速層存在位置，其左側的淡粉色區域表示低速層可能的西向延伸範圍。右圖展示了礦物顆粒間的微小結構。在固-液二面角較小的情況下，熔體可以包裹住礦物顆粒的邊界，互相連通，顯著降低地震波速度（Yoshino et al., 2007, EPSL）
研究成果發表於國際權威學術期刊EPSL。（韓光潔, 李娟*, 郭廣瑞, et al. Pervasive low-velocity layer atop the 410-km discontinuity beneath the northwest Pacific subduction zone: Implications for rheology and geodynamics[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2021, 554: 116642. DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116642）。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”（XBD18000000）以及國家自然科學基金的聯合資助。
校對：陶琴