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大洋板塊俯沖是地球內部物質循環(huán)的重要過程，由于大洋地殼的化學成分和微量元素特征與平均地幔組成非常不同，因此循環(huán)的洋殼成分被認為是地幔地震波速異常和地球化學觀測異常的重要來源。此外研究洋殼成分在地幔深處的循環(huán)過程將為研究地幔動力學過程和深部物質循環(huán)過程提供關鍵線索，但是洋殼的循環(huán)過程一直缺少可靠的地震學約束。

地幔轉換帶是上地幔和下地幔過渡區(qū)域，以410-km和660-km間斷面為界，地幔轉換帶的結構和性質對地幔對流過程有著至關重要的影響。由于玄武巖洋殼在地幔轉換帶底部的密度小于周圍正常地幔，因此在660-km間斷面附近玄武巖洋殼具有負浮力，可以在重力的作用下滯留在660-km間斷面附近。但是玄武巖洋殼具有負浮力的深度范圍比較窄，并且俯沖大洋板片具有更低的溫度和粘滯度，因此俯沖的洋殼能否與大洋巖石圈地幔分離并滯留在地幔轉換帶底部仍然存在很大的爭議。過去研究地幔轉換帶結構主要是利用天然地震體波震相的走時和幅度信息來約束地幔間斷面的深度和速度跳變，因此傳統(tǒng)地震學方法的使用往往受制于天然地震的時空分布。

中國科學技術大學地球和空間科學學院姚華建教授課題組采用了一種不依賴天然地震的噪聲干涉技術提取地幔間斷面的上界面反射體波震相（P410P和P660P），用于研究地幔間斷面的結構特征，并結合礦物物理模擬和波形正演來約束地幔間斷面附近的礦物組成。如圖1所示，本研究采用了華北地區(qū)200多個流動臺站和部分固定臺站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)計算背景噪聲互相關函數(shù)，將所有互相關函數(shù)按臺間距排列可以觀測到清晰的410-km和660-km間斷面反射震相。進一步利用相位加權共中心點疊加方法(Feng et al., 2017)得到了沿圖1a中黑線的反射波形剖面，反射波形濾波到兩個頻帶（2-5 s和5-10 s）（圖2）?？梢杂^測到滯留太平洋板塊前緣存在顯著的P660P波形異常：復雜的短周期波形和非常微弱的長周期波形?？紤]到俯沖板片可能帶來的礦物成分異常，文中設計了一個簡單礦物模型來解釋觀測的波形異常：分離的玄武巖洋殼聚集在俯沖板片前緣的地幔轉換帶底部。由于洋殼成分聚集，660-km間斷面主要包含兩部分：在660 km附近的小幅度速度跳變和更深處的速度緩慢增加（圖2e）。而410-km間斷面結構未受礦物成分異常的影響，表現(xiàn)為平緩的速度增加，間斷面寬度為～10 km。該模型很好地解釋了觀測到的弱P660P震相，而短周期復雜P660P波形可能與堆積玄武巖洋殼的不均勻性有關，需要更為復雜的模型才能解釋。

圖1. （a）臺站分布圖，紫色三角形代表流動臺站，藍色三角形代表固定臺站。（b）俯沖大洋板片形態(tài)和研究區(qū)位置，紅色和藍色線分別代表P410P和P660P震相的射線路徑，紅色和藍色點分別表示在410-km和660-km界面的反射點位置。（c）將所有互相關函數(shù)按臺間距分窗疊加得到的剖面。

圖2. （a-b）利用背景噪聲互相關函數(shù)共中心點疊加得到沿圖1a中黑色箭頭線剖面的反射波形，分別濾波到2-5 s和5-10 s，背景色為P波速度結構。（c-d）基于礦物模型正演計算的反射波形，分別濾波到2-5 s和5-10 s，背景色指示礦物組成。（e）不同礦物模型對應的速度結構。新模型在620-750 km深度范圍為30%的洋中脊玄武巖和70%地幔巖混合，750-800 km逐漸轉變?yōu)檎５牡蒯r。

該研究結果顯示俯沖大洋板片長期滯留在地幔轉換帶底部由于溫度升高和粘滯度降低可能經歷殼幔分離，分離的洋殼成分會在負浮力作用下滯留在地幔轉換帶底部（圖3），滯留在地幔轉換帶的玄武巖洋殼成分可以很好地解釋地震學上觀測的散射信號(Wu et al., 2019)。而那些直接穿過地幔轉換帶的大洋板片由于快速穿過地幔轉換帶和更低的溫度（更高的粘滯度）很難發(fā)生殼幔分離，這些俯沖板片在核幔邊界上方被加熱，更容易發(fā)生殼幔分離，而分離的洋殼成分會被堆積到核幔邊界上方或被地幔柱帶到淺部。因此洋殼成分的演化和循環(huán)過程與大洋板片的俯沖模式密切相關。本研究以獨特的視角研究了俯沖大洋板片洋殼成分的演化和地幔轉換帶對地幔物質循環(huán)過程的影響。660-km間斷面對上下地幔物質交流過程具有過濾作用，這也暗示了更加復雜的地幔對流過程，而地幔轉換帶底部可能是除了核幔邊界之外循環(huán)洋殼物質的次級儲庫(Ballmer et al., 2015)。

圖3. 大洋板片俯沖過程以及大洋地殼演化示意圖。部分俯沖大洋板塊直接穿過地幔轉換帶進入下地幔，在核幔邊界上方被加熱發(fā)生殼幔分離，分離的洋殼可能被地幔柱再次帶到淺部。部分滯留在地幔轉換帶內的大洋板片則可能在地幔轉換帶內發(fā)生殼幔分離，分離的洋殼成分可以解釋我們觀測到的弱P660P震相和Wu et al. (2019)觀測到的非對稱散射信號。

相關成果近日發(fā)表在國際知名學術期刊《自然·通訊》上，第一作者為馮吉坤博士，通訊作者為姚華建教授和馮吉坤博士，合作者為中國科學技術大學王毅副教授、毛竹教授和法國Grenoble-Alpes University的Piero Poli博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22853-2

（地球和空間科學學院、科研部）