地球内部的奥秘一直吸引着无数科学家去探索，俯冲带作为地球板块运动的关键区域，更是研究的重中之重。在俯冲带，岩石圈物质从上层地幔向下运动到地幔过渡带（MTZ，位于 410 千米至 660 千米深度之间，由两个显著的全球地震波速不连续面界定 ），但这些物质是继续下沉进入下地幔，还是停滞在地幔过渡带，至今仍存在诸多疑问。而且，影响这一物质流动过程的因素也十分复杂，其中化学异质性被认为起着重要作用，然而，目前对于地幔流动以及影响它们的确切因素，科学界还缺乏精准的认知。
为了揭开这些谜团，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈与环境协同演化国家重点实验室等多机构的研究人员，开展了一项针对小安的列斯俯冲带的深入研究。研究人员利用 P - to - S 接收函数，结合海洋底部地震数据和陆地数据，对小安的列斯俯冲带下方的俯冲板块和地幔过渡带进行成像研究。研究结果发表在《Nature》上，具有重要的科学意义。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，收集了来自两个来源的地震数据，包括作为 VoiLA 实验一部分部署的 8 个宽带台站和 34 个海底地震仪（OBSs），以及 22 个小安的列斯群岛上的永久台站数据 。然后，通过计算 P - to - S（Ps）接收函数来揭示地幔过渡带的不连续面和厚度。在数据处理过程中，对海洋数据进行了倾斜和合规噪声校正，并将原始水平和垂直分量波形旋转为 P 和 S 分量。最后，利用 3D 区域参考模型 VoiLA - P19 对接收函数波形进行深度偏移和叠加。
下面来看看具体的研究结果。
- 地幔过渡带不连续面的成像：研究人员在小安的列斯下方的广泛区域，对与 410 和 660 千米不连续面相关的正峰值（速度随深度增加）进行了成像。发现 410 千米不连续面在小安的列斯西南部约北北西走向的区域被抬升了 10 - 30 千米，而在东北部则下降（至 410 - 440 千米深度），在小安的列斯北部岛屿下方下降最为明显 。660 千米相位在研究区域大多下降（至 660 - 743 千米深度），部分区域出现异常，如在弧后和前弧北部区域下方，存在一个 400 千米宽的超深 660 千米不连续面（深度大于 700 千米），在多米尼克和马提尼克后面的弧后 200 千米宽的圆形区域内，只观察到单一的超深相位，导致该区域地幔过渡带异常厚（大于 300 千米） 。此外，在一些超深 660 千米相位的区域，还存在较浅的、更正常的 660 千米相位，形成双 660 千米不连续面。
- 异常现象的解释与分析：410 千米不连续面的深度变化可能是温度和 / 或水含量变化的结果。靠近俯冲的原加勒比板块的抬升 410 千米不连续面，可能是由于预期的冷板块温度；而在板块后方，下降的 410 千米不连续面可能与水化增加和 / 或上升流导致的温度升高有关 。660 千米不连续面在俯冲带的下降通常被归因于热效应，但超深 660 千米不连续面不能仅由热效应解释。其他因素，如水含量和亚稳林伍德石（Ringwoodite，Rw）的持续存在，对超深 660 千米不连续面的形成贡献也较小 。通过地球动力学建模和波形模拟，研究人员发现，观察到的现象需要高浓度的玄武岩异常才能解释。
- 玄武岩含量的量化与推断：研究人员通过合成接收函数测试，量化了解释结果所需的玄武岩量。结果表明，观察到的双 660 千米现象可能由中等玄武岩含量解释，而单一超深 660 千米观察（深度大于 730 千米）则需要大于 50% 的玄武岩异常 。推断的玄武岩浓度可能与附近推断的俯冲灭绝海岭有关，海岭下方的岩石圈具有相对较高的玄武岩比例，且岩浆可能在 7000 万年前海岭停止扩张时进一步冻结在岩石圈中，增加了该区域的玄武岩含量。
综合研究结果，研究人员得出结论：小安的列斯下方地幔过渡带存在高比例的玄武岩，这些玄武岩不太可能来自分层的玄武质地壳，而可能与板块本身有关，潜在地与灭绝海岭和 / 或岩石圈内的熔体冻结有关 。这一发现表明，板块内的成分异质性在决定板块在地幔过渡带的停滞程度或进入下地幔的过程中起着重要作用 。这一研究成果为理解地球内部的物质循环、地幔对流模式以及板块构造运动提供了新的关键证据，有助于科学家更深入地探究地球内部的奥秘，推动地球科学领域的发展。
生物通微信公众号
