SS前驅(qū)波研究揭示菲律賓海板塊地幔轉(zhuǎn)換帶的復(fù)雜熱化學(xué)特性 |楊凡等-EPSL

菲律賓海板塊（Philippine Sea Plate，PSP）位于太平洋板塊、歐亞板塊和印澳板塊之間，具有復(fù)雜的微板塊結(jié)構(gòu)與豐富的溝-弧-盆系統(tǒng)特征，包括馬里亞納、伊豆-小笠原、菲律賓、馬尼拉和琉球海溝，以及四國、西菲律賓和帕里西維拉海盆。該區(qū)域是研究板塊俯沖構(gòu)造演化的理想場所，特別是在探討滯留于地幔中的板塊分布，以及板塊俯沖對地幔熱結(jié)構(gòu)的影響等問題上具有重要的科學(xué)價值。地幔轉(zhuǎn)換帶（Mantle Transition Zone，MTZ）是上、下地幔的過渡區(qū)，位于410 km和660 km兩個間斷面之間（D410和D660）。通常認(rèn)為D410和D660間斷面由橄欖石在不同溫度、壓力下的相變引發(fā)，兩者的克拉貝龍斜率相反，導(dǎo)致溫度異常可以顯著影響MTZ的厚度。此外，含水礦物與非橄欖石成分（如石榴石）的存在，進(jìn)一步加劇了不連續(xù)面的梯度與深度變化，使得MTZ的結(jié)構(gòu)變化成為揭示地幔熱異常、水含量，以及板塊俯沖、地幔上涌等深部地球動力學(xué)過程的關(guān)鍵窗口。SS前驅(qū)波的傳播路徑類似于地表反射的SS波，但其反射發(fā)生在地下特定深度界面，充分?jǐn)y帶了間斷面反射點下方的結(jié)構(gòu)信息，其走時和振幅對界面深度和物質(zhì)特性敏感，因此在海洋區(qū)域地震觀測臺站分布不足的情況下，SS前驅(qū)波（記為S410S，S660S）成為探測海域地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)的重要方法（圖1）。

圖 1 SS及其前驅(qū)波的射線路徑圖

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理學(xué)科中心的地球-行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與過程學(xué)科組楊凡博士后與合作導(dǎo)師李娟研究員，聯(lián)合南方科技大學(xué)俞春泉副教授，以及本所陳思丹博士、李楊特聘研究員、張志剛研究員和王巍特聘研究員，針對菲律賓海板塊下方的地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的成像研究。該研究收集了來自中國地震臺網(wǎng)中心和EarthScope Data Services（原IRIS）記錄的高質(zhì)量地震波形數(shù)據(jù)，涵蓋1000多個臺站和超過44,086條SS前驅(qū)波記錄（圖2），數(shù)據(jù)時間跨度高達(dá)20年。借助曲波去噪技術(shù)（curvelet denoising）和共反射點疊加技術(shù)，研究團(tuán)隊成功獲得了D410和D660的深度及MTZ厚度的高分辨率橫向變化圖像，為深入理解菲律賓海板塊下方的地幔結(jié)構(gòu)及動力學(xué)過程提供了地震觀測數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。

圖2 臺站、事件和SS震相反射點的分布。（a）臺站（藍(lán)色三角形）、事件（綠色五角星）和SS震相反射點（紅色十字）的分布；（b）每個單元格的反射點數(shù)量，單元格間隔為1.0°×1.0°，半徑為3.5°，顏色表示每個單元格中的反射點數(shù)量。品紅色點線表示PB2002模型中的當(dāng)前板塊邊界?？s略詞說明：IBT，伊豆-小笠原海溝；MRT，馬里亞納海溝；YT，雅浦海溝；PT，帕勞海溝；PHT，菲律賓海溝；MNT，馬尼拉海溝；RT，琉球海溝；ODR，沖大東洋脊；SB，四國海盆；WPB，西菲律賓海盆；PVB，帕里西維拉海盆

研究揭示（圖3），在西菲律賓海盆區(qū)域和四國海盆區(qū)域（區(qū)域I和II），D410表現(xiàn)為抬升，D660表現(xiàn)為下沉，其深度變化分別與MTZ的厚度呈現(xiàn)反向和正向相關(guān)，這與MTZ內(nèi)由停滯板塊引起的低溫異常對間斷面深度的影響一致。在馬里亞納海溝周邊（區(qū)域IV），他們觀測到D410在約390 km和430 km深度處出現(xiàn)分裂，而D660則在620 km和720 km深度處分裂，且部分區(qū)域反射信號減弱，這些特征可能與太平洋板塊的近垂直形態(tài)的俯沖密切相關(guān)，導(dǎo)致了MTZ周圍顯著的物質(zhì)和熱量交換。特別是，在菲律賓海板塊南部的帕里西維拉海盆和卡羅琳板塊區(qū)域（區(qū)域III），MTZ厚度減薄約20 km，其中D410下沉約15 km，D660上升約5 km。結(jié)合層析成像和地球化學(xué)分析結(jié)果，他們推測該區(qū)域間斷面的變化很可能是由卡羅琳地幔柱相關(guān)的次級熱柱活動所引發(fā)。

圖3 D410、D660的深度和MTZ厚度變化圖像，以及相關(guān)振幅信息和誤差。(a) D410深度變化；(b) 按照SS震相歸一化的S410S振幅；(c) D410深度的標(biāo)準(zhǔn)差；(d) D660深度變化；(e) 按照SS震相歸一化的S660S振幅；(f) D660深度的標(biāo)準(zhǔn)差；(g) MTZ厚度變化；(h) S410S與S660S的振幅比，即A410/A660；(i) MTZ厚度的標(biāo)準(zhǔn)差。其他圖例見圖1，×信號表示S410S或S660S的振幅過低而無法被識別，亦稱反射間隙

面對海洋地區(qū)地震觀測分布稀疏，深部結(jié)構(gòu)研究有限的問題，他們系統(tǒng)采集并分析了大量采樣海域地區(qū)的微弱SS前驅(qū)波信號，成功刻畫了菲律賓海板塊及其鄰近區(qū)域D410與D660的起伏特征，不僅給出了較高分辨率的西菲律賓海盆與四國海盆區(qū)域（區(qū)域I與II）以及馬里亞納海溝區(qū)域（區(qū)域IV）MTZ結(jié)構(gòu)特征，同時還探索了研究非常有限的帕里西維拉海盆及卡羅琳板塊區(qū)域（區(qū)域III）深部結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖4 菲律賓海板塊下方MTZ典型結(jié)構(gòu)特征和動力學(xué)過程的二維示意圖。(a) 區(qū)域IV復(fù)雜的MTZ結(jié)構(gòu)，例如在馬里亞納海溝下觀測到變薄的MTZ、反射間隙和多個反射體，這可能是與垂直俯沖的太平洋板塊攜帶到地幔的水、鋁、鐵等物質(zhì)成分異常相關(guān)；(b) 區(qū)域III西菲律賓海盆（PVB）、卡羅琳板塊（CP）及周邊地區(qū)的較熱MTZ結(jié)構(gòu)。第一個模型展示間斷面深度的變化與MTZ內(nèi)的次生地幔柱相關(guān)的熱異常有關(guān)，這可能起源于卡羅琳地幔柱。第二個模型則考慮了次生地幔柱和成分異常的共同影響，包括源于俯沖板塊的水分和/或較高的鋁/鐵比

該研究成果為理解菲律賓海板塊及周邊區(qū)域的復(fù)雜多重俯沖體系提供了新的模型，揭示了該區(qū)域下方顯著的熱化學(xué)特性，對深化地球深部物質(zhì)循環(huán)與能量傳輸機(jī)制的認(rèn)識具有重要意義。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊EPSL（楊凡，李娟*，俞春泉*，陳思丹，李楊，張志剛，王巍. Complicated thermo-chemical heterogeneity of the mantle transition zone beneath the Philippine Sea Plate revealed by SS precursors investigation [J] . Earth and Planetary Science Letters, 2004, 648: 119092. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.119092）。成果受到國家自然科學(xué)基金項目（42074063、42174058、92155307）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-201904、IGGCAS-202204）的資助。

編輯：萬鵬