地质地球所研究提出东加勒比地区俯冲弧后地幔结构新认识
俯冲大洋板块的脱水及其对地幔结构的影响是长期受到关注的重要科学问题。前人研究已认识到，在弧下100±20 km深处存在大量脱水，这导致了地表火山岛弧的形成；俯冲板片滞留到地幔过渡带也会造成深部物质脱水。然而，在板片俯冲到两三百千米深的区域，如小安的列斯岛弧的弧后海域（图1），地表不存在火山活动，但一些深度分辨率较低的大尺度三维成像结果又显示上地幔低速异常。由此引出了一个广泛关切的问题：弧后海域地幔的热物质会影响地幔顶部乃至地壳吗？这就需要对特定深度更为准确的层析成像结果帮助我们回答。此外，地震各向异性是研究俯冲带地区深部动力学的重要参数。此前对东加勒比地区各向异性的研究均基于剪切波分裂，其仅能提供地震台站下方的各向异性结构，不足以提供对俯冲弧后地区的完整约束。
图1 东加勒比地区地形图
中国科学院地质与地球物理研究所的副研究员等，利用发展的地幔顶部地震波速度与各向异性成像方法，获得了东加勒比地区地幔顶部pn波速度和各向异性结构（图2）。研究发现，东加勒比海下方地幔顶部的速度较高，这不同于前人在地幔更深处的低速成像结果。将这一发现与其在西北太平洋俯冲带的类似发现相结合，推断弧后海域的地幔顶部不受较深处地幔热物质的显著影响。各向异性结果显示，板块边界地区存在平行于海沟方向的各向异性结构，弧后海域存在垂直于海沟方向的各向异性结构，碰撞边界地区的剪切波分裂应主要归因于地幔顶部的强烈各向异性。
图2 东加勒比地区地幔顶部pn波速度与各向异性结构
该研究揭示了大洋板片俯冲过程的三个重要特征：（1）在大洋板片俯冲过程中，岛弧下方存在大量脱水，导致了地表火山岛弧和地幔顶部显著的平行于海沟方向的各向异性；（2）在弧后海域下方，脱水可能存在，但仅影响俯冲板片的上部，而不显著影响到地幔顶部和地壳；（3）弧后海域地幔顶部受地幔楔物质流动影响形成垂直于海沟方向的各向异性（图3）。
图3 东加勒比地区俯冲弧后动力学过程示意图
成果发表于国际权威学术期刊jgr: solid earth（*, 刘家琪, 贺羽慧, 关玉蕊. new uppermost mantle pn velocity and anisotropy model of the eastern caribbean. journal of geophysical research: solid earth, 2021, 126(3): e2020jb021523. doi:）。研究受国家自然科学基金(41874066, 41674066, 41630210)和中国科学院地质与地球物理研究所重点自主部署项目“行星多圈层耦合”(iggcas-201904)资助。
