利用远震接收函数估计俯冲板片界面倾向的新方法及其在苏门答腊俯冲带的应用

　　俯冲板片结构和几何形态是认识俯冲过程及其相关的物质—能量交换机制的重要信息。俯冲板片的几何形态通过其边界和内部界面的倾角和倾向两个基本参数来描述。当俯冲板片内部变形强烈时，比如在日本和巽它俯冲带，俯冲板片的倾角和倾向均发生沿走向和随深度的变化。然而，前人研究往往关注俯冲板片的倾角，对俯冲板片倾向的约束相对较少，因此限制了对俯冲板片形态和变形特征的全面认知。 

　　中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室岩石圈演化动力学学科组博士生冯铭业与导师陈凌研究员、新加坡南洋理工大学韦生吉副教授等利用远震P波接收函数波形随反方位角的谐波变化特征，提出了定量估计俯冲板片界面倾向的新方法，并将该方法命名为倾向搜索法（图1）。地震波正演测试表明，倾向搜索法能够较为准确地约束俯冲板片界面的倾向，并且在噪声水平相对较高、存在一定地壳和地幔各向异性、远震数据反方位角覆盖不完整或不均匀，以及上述因素同时存在的情况下均表现出较高的稳健性。除了估计界面倾向，倾向搜索法还能够同时应用于俯冲板片的分层性分析，估计波速间断面深度和速度异常层厚度，因此对俯冲板片结构也具有较好的约束。倾向搜索基于单个地震台站，获取台站下方结构，无需密集台阵，因此适用于地震台站稀疏的情况。

　　

 

　　图1 倾向搜索法示例。（a）倾斜低速层地震波正演模型。（b-c）通过拟合P波接收函数波形反方位角谐波变化特征估计倾斜界面倾向（即谐波函数相移角）

　　为了检测倾向搜索法在实际俯冲板片几何形态和结构研究中的适用性，研究人员将其应用于苏门答腊俯冲带弧前地区的宽频带地震记录中。苏门答腊俯冲带位于印度—澳大利亚板块和巽它陆块汇聚—倾斜俯冲的板块边界处（图2a）。该地区弧火山、俯冲地震和海啸频发，但地震台站稀疏，限制了对俯冲板块边界带特征区域（如孕震区、岩浆形成区）变形特征和物质循环（如俯冲洋壳脱水—上覆地慢楔水化过程）等的认识。应用倾向搜索法，研究发现：（1）在苏门答腊弧前地区约20-70 km深度处普遍存在一层倾斜低速层（图2b），该层厚度约为10-14 km，大于全球约7 km的平均洋壳厚度，且低速层厚度和俯冲深度总体成正相关性（图2d）；（2）该倾斜低速层上下边界倾向约为北偏东40°-70°（图2a、图2c），与Slab2模型（Hayes et al., 2018）俯冲板片倾向一致（图2a、图2b）；（3）该低速层上下界面在苏门答腊岛西北部和东南部近乎平行，而在苏门答腊岛中部不平行，两者倾向差异约14°-23°（图2a）。

　　

 

　　图2 利用苏门答腊弧前地区地震台站数据和倾向搜索法估计倾斜低速层界面倾向、深度和层厚度。（a-b）倾斜低速层顶界面（蓝色）和底界面（红色）倾向及俯冲深度估计。（c）倾斜低速层倾向随经度变化特征。（d）倾斜低速层厚度估计及其与俯冲深度之间的正相关性

　　综合苏门答腊俯冲带海上地震勘探及其他俯冲带地震成像等前人研究结果，该厚度异常的低速层被解释为俯冲洋壳和上覆部分蛇纹石化地幔楔共同组成的层状倾斜低速体（图3）。俯冲洋壳脱水使地幔楔橄榄岩部分蛇纹石化，导致其波速降低至洋壳波速水平，两者共同形成了观测到的厚于正常洋壳的倾斜低速层。因此，低速层下界面为洋壳Moho面，上界面则是地幔楔显著蛇纹石化的前锋，反映了“弥散型”俯冲板片边界特征。由于蛇纹石化程度不均一，其表面存在起伏，导致苏门答腊岛中部低速层上下界面不平行。随着深度增加，温度、压力和洋壳榴辉岩化程度增加，地幔楔水化程度增加，蛇纹石化前锋逐渐向地幔楔内部推进，因此低速层深度和厚度之间存在正相关性。利用受俯冲板片脱水影响较小的洋壳Moho面倾向表征俯冲板片的整体倾向，发现苏门达腊俯冲板片倾向从东南向西北逐渐变化，反映俯冲板片存在强烈的内部变形，可能与该区域倾斜俯冲或者古洋脊俯冲有关。

　　

图3苏门答腊俯冲带综合解释模型。弧前地区俯冲板片顶部的倾斜低速层解释为洋壳和地幔楔部分蛇纹石化层共同构成的低速体，即俯冲板片脱水在其上界面附近形成部分蛇纹石化地幔橄榄岩层，从而构成扩散型俯冲板片边界

　　该项研究为约束俯冲带结构和俯冲板片界面几何形态提供了新的方法，对认识苏门答腊以及其他俯冲带板片脱水—上覆地幔楔水化等过程带来了新的启示。

　　研究成果发表于国际地学学术期刊JGR-SE（冯铭业，陈凌*，韦生吉*，王新，王旭，吴子木）. A New Method to Estimate Slab Dip Direction Using Receiver Functions and Its Application in Revealing Slab Geometry and a Diffuse Plate Boundary Beneath Sumatra [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2023. DOI: 10.1029/2022JB024598.