SS前驅波研究揭示菲律賓海板塊地幔轉換帶的復雜熱化學特性 |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，具有復雜的微板塊結構與豐富的溝-弧-盆系統特征，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。該區域是研究板塊俯沖構造演化的理想場所，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構的影響等問題上具有重要的科學價值。地幔轉換帶（Mantle Transition Zone，MTZ）是上、下地幔的過渡區，位于410 km和660 km兩個間斷面之間（D410和D660）。通常認為D410和D660間斷面由橄欖石在不同溫度、壓力下的相變引發，兩者的克拉貝龍斜率相反，導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，進一步加劇了不連續面的梯度與深度變化，使得MTZ的結構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過程的關鍵窗口。SS前驅波的傳播路徑類似于地表反射的SS波，但其反射發生在地下特定深度界面，充分攜帶了間斷面反射點下方的結構信息，其走時和振幅對界面深度和物質特性敏感，因此在海洋區域地震觀測臺站分布不足的情況下，SS前驅波（記為S410S，S660S）成為探測海域地幔轉換帶結構的重要方法（圖1）。

圖 1 SS及其前驅波的射線路徑圖

中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理學科中心的地球-行星內部結構與過程學科組楊凡博士后與合作導師李娟研究員，聯合南方科技大學俞春泉副教授，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換帶結構進行了詳盡的成像研究。該研究收集了來自中國地震臺網中心和EarthScope Data Services（原IRIS）記錄的高質量地震波形數據，涵蓋1000多個臺站和超過44,086條SS前驅波記錄（圖2），數據時間跨度高達20年。借助曲波去噪技術（curvelet denoising）和共反射點疊加技術，研究團隊成功獲得了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構及動力學過程提供了地震觀測數據支撐與科學依據。

圖2 臺站、事件和SS震相反射點的分布。（a）臺站（藍色三角形）、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量。品紅色點線表示PB2002模型中的當前板塊邊界。縮略詞說明：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），在西菲律賓海盆區域和四國海盆區域（區域I和II），D410表現為抬升，D660表現為下沉，其深度變化分別與MTZ的厚度呈現反向和正向相關，這與MTZ內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（區域IV），他們觀測到D410在約390 km和430 km深度處出現分裂，而D660則在620 km和720 km深度處分裂，且部分區域反射信號減弱，這些特征可能與太平洋板塊的近垂直形態的俯沖密切相關，導致了MTZ周圍顯著的物質和熱量交換。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域（區域III），MTZ厚度減薄約20 km，其中D410下沉約15 km，D660上升約5 km。結合層析成像和地球化學分析結果，他們推測該區域間斷面的變化很可能是由卡羅琳地幔柱相關的次級熱柱活動所引發。

圖3 D410、D660的深度和MTZ厚度變化圖像，以及相關振幅信息和誤差。(a) D410深度變化；(b) 按照SS震相歸一化的S410S振幅；(c) D410深度的標準差；(d) D660深度變化；(e) 按照SS震相歸一化的S660S振幅；(f) D660深度的標準差；(g) MTZ厚度變化；(h) S410S與S660S的振幅比，即A410/A660；(i) MTZ厚度的標準差。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

面對海洋地區地震觀測分布稀疏，深部結構研究有限的問題，他們系統采集并分析了大量采樣海域地區的微弱SS前驅波信號，成功刻畫了菲律賓海板塊及其鄰近區域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域（區域I與II）以及馬里亞納海溝區域（區域IV）MTZ結構特征，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域（區域III）深部結構（圖4）。

圖4 菲律賓海板塊下方MTZ典型結構特征和動力學過程的二維示意圖。(a) 區域IV復雜的MTZ結構，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、鐵等物質成分異常相關；(b) 區域III西菲律賓海盆（PVB）、卡羅琳板塊（CP）及周邊地區的較熱MTZ結構。第一個模型展示間斷面深度的變化與MTZ內的次生地幔柱相關的熱異常有關，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域的復雜多重俯沖體系提供了新的模型，揭示了該區域下方顯著的熱化學特性，對深化地球深部物質循環與能量傳輸機制的認識具有重要意義。

研究成果發表于國際學術期刊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基金項目（42074063、42174058、92155307）和中國科學院地質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