边缘海盆地开成机制研究不仅能够丰富和完善板块构造理论，而且是大洋与大陆地质研究的纽带。西太平洋板块的岩石圈在日本岛弧俯冲，由俯冲回退造成的地幔对流驱动了大陆裂解、弧后盆地扩张和边缘海形成。然而，在西太平洋板块和菲律宾板块的共同俯冲作用下，导致了复杂的岩浆活动和多种模式的地幔对流，因而使得对日本海张开机制的解释存在巨大争议 (图1)。地球化学测年和古地磁数据表明，日本岛弧的西南和东北微陆块各自围绕两个旋转极顺时针和逆时针旋转约56°和47°，成为日本海形成的“双扇门”张开机制的基础。然而，由于在地表并未观测到岛弧旋转引起的变形，日本海可以在朝鲜半岛边缘和日本弧东北部的两个右旋走滑断层的拉分作用下张开。伴随而生的还有走滑加旋转的张开模型。这些日本海形成机制模型主要是根据古地磁证据或浅层地球物理观测资料，因缺乏来自深部地幔物理状态的约束而难以决定取舍。
图1. 日本海及周边地区地形图。(a) 日本海区域构造示意图。虚线表示太平洋和菲律宾板块俯冲深度等值线。(b-c) 为不同的边缘海张开机制，包括大洋岩石圈下插引起的地幔对流 (b) 和俯冲回退产生的上升对流 (c)。
中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室地震学学科组的博士研究生杨庚、导师赵连锋研究员、美国加州大学圣克鲁兹分校的谢小碧研究员与其他合作者一起，通过构建宽频带 (0.5-20.0 Hz)，高分辨率 (1°×1°) Pn波衰减模型，获得了日本海区域岩石圈上地幔顶部的热结构。Pn波主要在上地幔顶部传播，在震中距200至2000 km的区域地震图上表现为典型的初至震相 (图2)。由于该震相经由上地幔顶部穿越海洋岩石圈，受地壳结构的影响较小且不易受其他前驱震相的干扰，Pn波的强烈衰减能够较好地指示上地幔热物质的赋存区域。再结合Pn波速度和各向异性资料，能够推测岩浆运移和地幔对流的模式，为日本海区域岩石圈变形和演化提供约束。图3显示了宽频带衰减成像结果，其中板内火山、对马盆地、日本盆地西北缘和日本岛弧的火山系统均表现出显著的强衰减。相比之下，日本海沟表现为弱衰减和高Pn速度，对应于较冷的俯冲板块。
图2. Pn波射线追踪。(a-d) 作为例子给出四段Pn波射线。每幅图中包括基于CRUST 1.0 提取的二维速度模型，追踪初至P波获得的Pn射线路径 (红线)。波前等时线 (细黑线)，间隔为2.5 s。, 和 分别为震源、台站和上地幔顶部附近的纵波速度。(e) 四段射线所对应的地震事件 (五角星)、台站 (三角形) 及沿大圆路径的射线分布图。
图3. (a) 本研究得到的日本海及周边地区宽频带Pn波衰减模型。 (b) Pn波速度模型及各向异性。JB=日本盆地；TB=对马盆地；YB=大和盆地；KP=朝鲜高原；YR=大和海山；JV=镜泊湖火山；CV=长白山火山；C-RV=中加良火山。
在中国东北地区下方，软流圈热物质的上升运动可能在上地幔顶部形成多条通道，成为长白山、镜泊湖和中加良火山的岩浆供给源 (图3a)。在日本海下方，两条Pn波强衰减带与Pn波快轴方向吻合 (图4a)，可能说明地幔流从中国东北向东和向南流动 (图4b-d)。Pn波速度成像和各向异性结果表明在日本海下方存在横向地幔流。Pn波衰减模型揭示出，两条地幔流的位置垂直于俯冲海沟的走向，且与西太平洋和菲律宾板块俯冲回退的方向吻合，因而其驱动力也许能够归因于菲律宾海和太平洋板块的俯冲以及由此产生的发散回退。中新世至上新世期间，在发散地幔流推动下，日本海可能呈“双扇门”状旋转张开(图4e)。现今日本弧火山向西迁移，说明日本海可能正处于闭合的初始阶段，这一过程并不会明显改变地幔流形态。日本海盆西北边缘和对马盆地都具有较厚的洋壳结构，以及强烈的Pn波衰减，说明地幔热物质运移过程不断对上覆地壳加热，并使之熔融和增厚，遂形成现今独特的地壳结构及相应的弧后盆地系统。
图4. 日本海区域地幔流形态及张开方式示意图。(a) “双扇门”张开模型。蓝色扇形区表示日本岛弧围绕两个旋转极 (红色实心圆) 顺时针和逆时针旋转了约56°和47° (Otofuji et al., 1985)。橙、蓝色条分别表示Pn波各向异性 (Lü et al., 2019) 和剪切波分裂 (Long and van der Hilst, 2005) 的快波方向。黑色虚线为两条衰减剖面b, c的位置。(b) 5.0 Hz Pn衰减模型。(c-d)衰减-频率剖面。(e)日本海区域地幔流形态示意图。红色箭头指示地幔流可能的前进方向。
研究成果发表在国际知名地学学术期刊GRL (杨庚, 赵连锋*, 谢小碧, 何熹, 吕彦, 姚振兴. (2022). “Double door” opening of the Japan Sea inferred by Pn attenuation tomography. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099886. https://doi.org/10.1029/2022GL099886)。本研究受到国家自然科学基金（41674060, 41630210, 41974054, 41974061）和中国地震科学实验场（2019 CSES 0103, 2016 CSES 0203）的联合资助。