SS前驱波研究揭示菲律宾海板块地幔转换带的复杂热化学特性 |杨凡等-EPSL

菲律宾海板块（Philippine Sea Plate，PSP）位于太平洋板块、欧亚板块和印澳板块之间，具有复杂的微板块结构与丰富的沟-弧-盆系统特征，包括马里亚纳、伊豆-小笠原、菲律宾、马尼拉和琉球海沟，以及四国、西菲律宾和帕里西维拉海盆。该区域是研究板块俯冲构造演化的理想场所，特别是在探讨滞留于地幔中的板块分布，以及板块俯冲对地幔热结构的影响等问题上具有重要的科学价值。地幔转换带（Mantle Transition Zone，MTZ）是上、下地幔的过渡区，位于410 km和660 km两个间断面之间（D410和D660）。通常认为D410和D660间断面由橄榄石在不同温度、压力下的相变引发，两者的克拉贝龙斜率相反，导致温度异常可以显著影响MTZ的厚度。此外，含水矿物与非橄榄石成分（如石榴石）的存在，进一步加剧了不连续面的梯度与深度变化，使得MTZ的结构变化成为揭示地幔热异常、水含量，以及板块俯冲、地幔上涌等深部地球动力学过程的关键窗口。SS前驱波的传播路径类似于地表反射的SS波，但其反射发生在地下特定深度界面，充分携带了间断面反射点下方的结构信息，其走时和振幅对界面深度和物质特性敏感，因此在海洋区域地震观测台站分布不足的情况下，SS前驱波（记为S410S，S660S）成为探测海域地幔转换带结构的重要方法（图1）。

图 1 SS及其前驱波的射线路径图

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理学科中心的地球-行星内部结构与过程学科组杨凡博士后与合作导师李娟研究员，联合南方科技大学俞春泉副教授，以及本所陈思丹博士、李杨特聘研究员、张志刚研究员和王巍特聘研究员，针对菲律宾海板块下方的地幔转换带结构进行了详尽的成像研究。该研究收集了来自中国地震台网中心和EarthScope Data Services（原IRIS）记录的高质量地震波形数据，涵盖1000多个台站和超过44,086条SS前驱波记录（图2），数据时间跨度高达20年。借助曲波去噪技术（curvelet denoising）和共反射点叠加技术，研究团队成功获得了D410和D660的深度及MTZ厚度的高分辨率横向变化图像，为深入理解菲律宾海板块下方的地幔结构及动力学过程提供了地震观测数据支撑与科学依据。

图2 台站、事件和SS震相反射点的分布。（a）台站（蓝色三角形）、事件（绿色五角星）和SS震相反射点（红色十字）的分布；（b）每个单元格的反射点数量，单元格间隔为1.0°×1.0°，半径为3.5°，颜色表示每个单元格中的反射点数量。品红色点线表示PB2002模型中的当前板块边界。缩略词说明：IBT，伊豆-小笠原海沟；MRT，马里亚纳海沟；YT，雅浦海沟；PT，帕劳海沟；PHT，菲律宾海沟；MNT，马尼拉海沟；RT，琉球海沟；ODR，冲大东洋脊；SB，四国海盆；WPB，西菲律宾海盆；PVB，帕里西维拉海盆

研究揭示（图3），在西菲律宾海盆区域和四国海盆区域（区域I和II），D410表现为抬升，D660表现为下沉，其深度变化分别与MTZ的厚度呈现反向和正向相关，这与MTZ内由停滞板块引起的低温异常对间断面深度的影响一致。在马里亚纳海沟周边（区域IV），他们观测到D410在约390 km和430 km深度处出现分裂，而D660则在620 km和720 km深度处分裂，且部分区域反射信号减弱，这些特征可能与太平洋板块的近垂直形态的俯冲密切相关，导致了MTZ周围显著的物质和热量交换。特别是，在菲律宾海板块南部的帕里西维拉海盆和卡罗琳板块区域（区域III），MTZ厚度减薄约20 km，其中D410下沉约15 km，D660上升约5 km。结合层析成像和地球化学分析结果，他们推测该区域间断面的变化很可能是由卡罗琳地幔柱相关的次级热柱活动所引发。

图3 D410、D660的深度和MTZ厚度变化图像，以及相关振幅信息和误差。(a) D410深度变化；(b) 按照SS震相归一化的S410S振幅；(c) D410深度的标准差；(d) D660深度变化；(e) 按照SS震相归一化的S660S振幅；(f) D660深度的标准差；(g) MTZ厚度变化；(h) S410S与S660S的振幅比，即A410/A660；(i) MTZ厚度的标准差。其他图例见图1，×信号表示S410S或S660S的振幅过低而无法被识别，亦称反射间隙

面对海洋地区地震观测分布稀疏，深部结构研究有限的问题，他们系统采集并分析了大量采样海域地区的微弱SS前驱波信号，成功刻画了菲律宾海板块及其邻近区域D410与D660的起伏特征，不仅给出了较高分辨率的西菲律宾海盆与四国海盆区域（区域I与II）以及马里亚纳海沟区域（区域IV）MTZ结构特征，同时还探索了研究非常有限的帕里西维拉海盆及卡罗琳板块区域（区域III）深部结构（图4）。

该研究成果为理解菲律宾海板块及周边区域的复杂多重俯冲体系提供了新的模型，揭示了该区域下方显著的热化学特性，对深化地球深部物质循环与能量传输机制的认识具有重要意义。

研究成果发表于国际学术期刊EPSL（杨凡，李娟*，俞春泉*，陈思丹，李杨，张志刚，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）。成果受到国家自然科学基金项目（42074063、42174058、92155307）和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201904、IGGCAS-202204）的资助。

编辑：万鹏