巖石圈-軟流圈邊界（Lithosphere-Asthenosphere Boundary，LAB）是地球內部剛性巖石圈和粘塑性軟流圈之間的分界面，對理解板塊構造至關(guān)重要。在大洋地區，LAB在地震學(xué)成像中通常表現為尖銳的地震波速間斷面（稱(chēng)為plate-LAB），其形成機制普遍認為與部分熔融相關(guān)(Rychert et al., 2020)。富含熔體的LAB能在一定程度上使巖石圈板塊與下覆軟流圈解耦，從而促進(jìn)板塊運動(dòng)(Debayle et al., 2020; Stern et al., 2015)。大洋板塊俯沖進(jìn)入地幔后（即俯沖板片），其LAB是否仍富含熔體、因而表現為尖銳的地震波速間斷面（稱(chēng)為slab-LAB）？迄今為止，地球物理成像研究?jì)H在日本俯沖帶（年齡～130 Ma）和新西蘭俯沖帶（年齡～120 Ma）觀(guān)測到slab-LAB，而年輕的俯沖帶地區是否存在slab-LAB尚不清楚（圖1）。富含熔體的plate-LAB和slab-LAB是否與板塊的年齡相關(guān)是理解俯沖動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題之一。
圖1 俯沖帶地區富含熔體的slab-LAB研究現狀及爭議(Hawley et al., 2016; Kawakatsu et al., 2009; Naif et al., 2013; Rychert et al., 2018; Stern et al., 2015)
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所王新特聘研究員、陳凌研究員、陳棋福研究員、楊建鋒特聘研究員，聯(lián)合加拿大地質(zhì)調查局王克林研究員和美國加州理工學(xué)院詹中文教授，基于密集臺陣接收函數界面成像技術(shù)，首次在年輕且熱的北美Cascadia俯沖帶地區（年齡～10 Ma）觀(guān)測到尖銳的slab-LAB地震學(xué)間斷面（圖2）。對比研究顯示，該間斷面位于地震層析成像約束的俯沖Cascadia高速板片(Delph et al., 2018)下邊界，且與俯沖前Juan de Fuca板塊的plate-LAB間斷面成像結果(Rychert et al., 2018)較好匹配連接，表明不同研究結果之間相互吻合、印證。進(jìn)一步通過(guò)多頻段接收函數波形模擬，定量約束slab-LAB處S波速度在3km深度范圍內降低近10%（圖3），可以用約1%的部分熔融來(lái)解釋。
圖2 研究區域 (a-c)及成像結果(d-f)。其中，d-f分別表示基于密集臺陣的相干接收函數成像結果、相應信號的可靠性和對應剖面的地震層析成像模型(Delph et al., 2018)
圖3 該研究中關(guān)注的俯沖板片地震波速間斷面屬性分析結果
該研究中探測到的位于年輕（～10 Ma）且熱的Cascadia俯沖帶地區的slab-LAB，與老（～130 Ma）而冷的日本俯沖帶地區觀(guān)測的slab-LAB在界面強度和尖銳程度上相一致。全球綜合對比表明，無(wú)論是老的還是年輕的俯沖帶地區，或是俯沖前的大洋巖石圈底部，均觀(guān)測到相似強度和尖銳程度的地震波速間斷面，可能表明了富含熔體LAB的普遍存在。slab-LAB處富含熔體會(huì )顯著(zhù)降低地幔的粘滯度，一定程度上使俯沖板片與下伏軟流圈解耦，從而影響俯沖動(dòng)力學(xué)過(guò)程(Carluccio et al., 2019; Sun et al., 2024)。富含熔體的slab-LAB的全球性分布可能需要我們重新審視俯沖帶流變性，進(jìn)而增進(jìn)對俯沖速率、俯沖板片形態(tài)，以及俯沖帶大地震成因及周期形變等的理解和認識。
該研究提供了年輕俯沖帶地區存在富含熔體slab-LAB的地震學(xué)證據。但到目前為止，不同研究中關(guān)于slab-LAB精細結構的成像結果仍有較大的差異（圖1）。例如，基于天然地震資料觀(guān)測到的slab-LAB為負的地震波速間斷面，而基于勘探地震學(xué)資料得到的slab-LAB為一組包含負-正的地震波速間斷面（LAB系統），與此對應的部分熔融程度、動(dòng)力學(xué)成因、巖石圈與軟流圈解耦作用等仍然存在較大爭議。綜合不同地球物理學(xué)探測方法，并對比研究不同俯沖帶地區slab-LAB的地球物理屬性，以及俯沖前plate-LAB與俯沖后slab-LAB的結構異同，對深入理解大洋巖石圈性質(zhì)、流變行為和俯沖動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要意義。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（王新，陳凌*，王克林，陳棋福，詹中文，楊建鋒. Seismic evidence for melt-rich lithosphere-asthenosphere boundary beneath young slab at Cascadia [J]. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47887-0.）。研究受?chē)抑攸c(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目（2022YFF0802600）、國家自然學(xué)科基金（91958209 和42288201）、中國科協(xié)青年人才托舉工程（2020QNRC001）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主部署項目（IGGCAS-201904）聯(lián)合資助。
