板块俯冲是地球上最宏大、最复杂的地质过程之一，是理解地球内部物质能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节。在板块俯冲过程中，俯冲板片将冷的、不同组分的物质（如地表沉积物、玄武质洋壳、水等）带入地幔，与周围地幔相互作用，在二者边界上发生强烈且复杂的热化学交换。对俯冲板片界面的认识是理解板片几何形态、组分结构、深部水循环、地幔熔融等地球深部动力学过程的关键。
在地球浅部（<200 km），不同俯冲带的地震学探测均揭示出明显的俯冲板片上、下界面（Kawakatsu and Watada，2007；Kawakatsu et al. 2009；Stern et al. 2015），即俯冲板片与周围地幔物质存在显著的地震波速度不连续面。在俯冲板片的上界面，板片大量脱水，与超镁铁质地幔岩反应形成含水矿物（如蛇纹石），显著增强了俯冲板块与上覆地幔楔之间的速度对比，从而形成地震学中观测到的地震不连续面（Kawakatsu and Watada，2007）。尽管大多数水会在150-200 km的深度从洋壳中释放出来，但在冷的俯冲环境下，水还可以通过储存在硬柱石（lawsonite）和高密度含水镁硅酸盐（DHMSs）等矿物，或者以含羟基（OH）的名义无水矿物（NAMs）形式进入到地幔更深处（Iwamori， 2007；郑永飞等，2016）。俯冲板片的下部界面，即大洋岩石圈与下伏软流圈之间的边界，也可能表现为明显的速度不连续面（Kawakatsu et al. 2009； Stern et al. 2015）。例如，Kawakatsu et al.（2009）在日本岛下方，观测到了延伸至200 km深度的俯冲太平洋板片的下界面。俯冲板片下界面的成因，可能与下伏软流圈顶部的高含水量和部分熔融有关，对深入了解俯冲的岩石圈与下伏软流圈之间的解耦、板块运动动力学等具有重要意义。然而200 km以下的俯冲板片界面迄今仍没有较好地刻画，是否清晰可辨仍然缺乏明确的结论。
针对俯冲板片的深部界面问题，实验室王新副研究员、陈棋福研究员、李娟研究员等，联合美国莱斯大学、新加坡南洋理工大学地球观测研究所、北京大学、中国地震局地震预测研究所、美国加州理工学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校等科研人员，就西北太平洋俯冲带下方的俯冲板片精细结构展开探测研究（图1）。该研究在410-660 km深的地幔过渡带内探测到两个尖锐且略倾斜的地震波速度不连续面，与研究区域的全波形层析成像结果以及深源地震的分布吻合较好，认为它们分别代表了俯冲的太平洋板片高速体的上界面和下界面（图2）。通过多频段接收函数波形模拟，并结合岩石高温高压实验和地球动力学研究结果，研究团队认为俯冲板片的上界面与俯冲板片的莫霍面（洋壳、洋幔界面）相关，而在地幔过渡带含水情况下，俯冲板片下侧软流圈的部分熔融则导致板片的下界面清晰可辨（图3）。
图1 西北太平洋俯冲带构造简图。彩色方块代表该研究中用到的地震台站（紫色表示研究团队布设的NECsaids宽频带流动地震台阵，蓝色表示NECESSArray流动地震台阵，橙色为国家固定台站）。彩色圆圈表示深源地震，黑色虚线表示太平洋俯冲板片等深线。
图2 地幔过渡带中观测到明显的俯冲板片上、下界面。（a-b）全波形层析成像（Tao et al., 2018）结果，其中红色代表低速异常，蓝色代表高速异常。灰色圆圈表示深源地震，黑色等值线代表与俯冲板片相关的速度异常。（c-d）接收函数共反射点叠加剖面，其中红色代表低速到高速（从浅到深）的跳变，蓝色代表高速到低速（从浅到深）的跳变。该研究在地幔过渡带中观测到明显的俯冲板片高速体的上、下界面分别用X1、X2标示。剖面位置见图1。
图3 俯冲板片界面形成机制解译。（a）西北太平洋俯冲带与俯冲板片相关的地震学观测概览。（b）地幔过渡带深处（约410 km到660 km深度）的俯冲板片界面形成机制卡通示意图。（c）典型地幔岩的S波速度结构。
大洋俯冲带研究一直是地球科学领域的前沿、热点及难点（Rosen，2016；https://www.sz4d.org/）。近些年来，浅部俯冲板片界面的探测已取得较大进展，但仍缺乏俯冲板片在深部的形态结构研究，特别是板片界面在深部的探测，导致无法全面完整地认识俯冲过程。本研究较以往研究更加深入地幔，在地幔过渡带内观测到明显的俯冲板片界面，揭示了俯冲板片的层状组分结构和板片下侧的高含水量。
研究成果发表于国际顶级学术期刊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）（原文链接）。本研究受中国科学院战略性先导科技专项（B类）"地球内部运行机制与表层响应"（ XDB 18000000）、国家自然科学基金委"西太平洋地球系统多圈层相互作用"重大研究计划的"西北太平洋俯冲板片形态与岩浆响应活动的地震精细成像"（91958209）重点支持项目等资助。
主要参考文献
- 郑永飞, 陈仁旭, 徐峥, 张少兵, 俯冲带中的水迁移[J].中国科学: 地球科学, 2016, 46(3): 253–286. (链接)
- 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. (链接)
- 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. (链接)
- Kawakatsu H, Watada S. Seismic evidence for deep-water transportation in the mantle[J]. Science, 2007, 316(5830): 1468–1471. (链接)
- Rosen J. The Subduction zone observatory takes shape[J]. Science, 2016, 353(6306): 1347-1348. (链接)
- 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. (链接)
- 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. (链接)
- 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. (链接)