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        EPSL:西北太平洋板片俯沖模式轉換的地震學660-km間斷面證據

        板塊俯沖是地球內部物質和能量循環的重要環節,其能否穿過660-km間斷面(MTZ底界面)一直受到廣泛關注(Goes et al., 2008, Nature; Fukao et al. 2009)。前人多種地震學觀測研究表明,西太平洋板片在東北亞地區呈現出復雜分布的形態(如Gu et al., 2012, EPSL; Fukao and Obayashi, 2013, JGR):在勘察加半島下方直接穿過660-km間斷面而進入下地幔,在日本海-中國東北下方停滯于660-km間斷面之上而形成滯留板片(stagnant slab);但在位于兩者之間的千島下方,俯沖板片形態發生改變的地理位置存在很大爭議,且引發板片俯沖模式發生轉換的地球動力學機制尚不明確。

         

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        圖1. 研究區域構造背景(a)和震源至臺網射線路徑圖(b)

         

        針對這一科學問題,中國地震局地震預測研究所崔清輝副研究員與合作者開展了深入研究。研究者從國際地震中心(ISC)收集了2002-2021期間千島-勘察加地區的深震事件并通過IRIS等數據平臺獲取了全球多個密集地震臺網(CNSN、KRN、GRSN、AK、BK和CI)所記錄的高質量波形資料(圖1),采用臺陣地震學研究方法中的N次根傾斜疊加提取了震源下方間斷面處轉換的SdP震相,利用波形聚束分析評價了次生震相傳播特性并基于合成波形進行了震相幅度擬合,得到了整個研究區域660-km間斷面深度的高分辨率圖像(圖2)。

         

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        圖2. 千島-勘察加地區660-km間斷面起伏及AA'-FF'剖面圖

         

        研究發現:(1)千島-勘察加地區下方660-km間斷面呈現北深南淺的特征,即在勘察加至北千島(區域I,AA'-CC'剖面)為大幅度下沉(平均深度691 km)且有明顯下傾現象;在南千島(區域II,DD'-FF'剖面)則為小幅度下沉(平均深度674 km)且較為平緩(圖2);(2)通過多剖面與P、S波層析成像結果(Lu et al., 2019, JGR)、地震活動性(包括outboard earthquakes)、板片模型(Hayes et al., 2012, JGR)以及轉換的溫度異常與數值模擬結果(Yang and Faccenda, 2020, Nature)的比較,研究認為太平洋板片在區域I為直接穿過660-km間斷面進入下地幔,在區域II則滯留在660-km間斷面之上。研究首次利用間斷面起伏約束得出西北太平洋板片形態發生轉換的地理邊界為北薩哈林島-千島盆地,即板片滯留形態出現的起始位置(圖2);(3)千島-勘察加俯沖帶的地幔三維不均一性對SdP震相的慢度和反方位角具有一定影響,同時對S660P震相模擬得出的速度躍變量要明顯高于IASP91參考模型。

         

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        圖3. 勘察加-北千島(a)和南千島(b)太平洋板片俯沖模式圖

         

        結合前人在西太地區的數值模擬和構造重建、千島地區弧后盆地非對稱擴張的物理模擬(如Schellart et al., 2003, Tectonics; Miller et al., 2006, JGR; Peng et al., 2021, GRL),我們提出了一種新的西北太平洋板片俯沖模式轉換機制:古俯沖所驅動的新生代西向地幔流(mantle flow)與海溝后撤(trench retreat)因素的共同作用機制。在區域I,由于弱化的地幔流以及有限的海溝后撤,板片直接進入下地幔并引起660-km間斷面的大幅下沉(圖3a);在區域II,由于增強的地幔流以及明顯的海溝后撤,板片則滯留于660-km間斷面之上,由地幔流和板片自身所夾帶的熱物質弱化了板片底部的溫度異常,因此出現了660-km間斷面下沉幅度小且平坦的形態(圖3b)。該機制對于認識西北太平洋板片的俯沖過程、俯沖區地球深部地幔圈層和表層溝-弧-盆體系構造單元的響應、板片內部應力狀態和孕震分布等具有重要科學意義。

        上述研究成果發表在地學領域Nature Index著名學術期刊《Earth and Planetary Science Letters》(EPSL,中科院1區Top,IF:5.785)。論文第一兼通訊作者為崔清輝副研究員(中國地震局地震各向異性與深部構造創新團隊成員),合作作者包括中國科學院大學周元澤教授、美國伊利諾伊大學香檳分校劉麗軍教授、地震預測研究所高原研究員、李國輝副研究員張盛峰副研究員。論文第一署名單位為中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室(Key Laboratory of Earthquake Prediction, Institute of Earthquake Forecasting, CEA)。該研究受到了國家自然科學基金項目(42074101、41704090 to Q.C.,41874109、42074103 to Y.Z.)和中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(CEAIEF20220201、2020IEF0509 to Q.C.)的聯合資助。

        論文信息:Cui, Q.*, Zhou, Y., Liu, L., Gao, Y., Li, G., Zhang, S., 2023. The topography of the 660-km discontinuity beneath the Kuril-Kamchatka: Implication for morphology and dynamics of the northwestern Pacific slab. Earth and Planetary Science Letters 602, 117967, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117967.

        論文鏈接:https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0012821X22006033

        (歡迎討論與交流,Cui Qinghui:qhcui@ief.ac.cnqhcui06@hotmail.com

         

        其他參考文獻:

        Fukao, Y., Obayashi, M., Nakakuki, T., 2009. Stagnant slab: A review. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 37, 19-46.

        Fukao, Y., Obayashi, M., 2013. Subducted slabs stagnant above, penetrating through, and trapped below the 660 km discontinuity. J. Geophys. Res. 118, 5920-5938.

        Goes, S., Capitanio, F.A., Morra, G., 2008. Evidence of lower-mantle slab penetration phases in plate motions. Nature 451, 981-984.

        Gu, Y.J., Okeler, A., Schultz, R., 2012. Tracking slabs beneath northwestern Pacific subduction zones. Earth Planet. Sci. Lett. 331-332, 269-280.

        Hayes, G.P., Wald, D.J., Johnson, R.L., 2012. Slab1.0: A three-dimensional model of global subduction zone geometries. J. Geophys. Res. 117, B01302.

        Lu, C., Grand, S.P., Lai, H., Garnero, E.J., 2019. TX2019slab: A New P and S Tomography Model Incorporating Subducting Slabs. J. Geophys. Res. 124, 11549-11567.

        Miller, M.S., Kennett, B.L.N., Toy, V.G., 2006. Spatial and temporal evolution of the subducting Pacific plate structure along the western Pacific margin. J. Geophys. Res. 111, B02401.

        Peng, D., Liu, L., Hu, J., Li, S., Liu, Y., 2021. Formation of East Asian Stagnant Slabs Due To a Pressure-Driven Cenozoic Mantle Wind Following Mesozoic Subduction. Geophys. Res. Lett. 48, e2021GL094638.

        Schellart, W.P., Jessell, M.W., Lister, G.S., 2003. Asymmetric deformation in the backarc region of the Kuril arc, northwest Pacific: New insights from analogue modeling. Tectonics 22, 1047.

        Yang, J., Faccenda, M., 2020. Intraplate volcanism originating from upwelling hydrous mantle transition zone. Nature 579, 88-91.

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