板块俯冲是地球内部物质和能量循环的重要环节，其能否穿过660-km间断面（MTZ底界面）一直受到广泛关注(Goes et al., 2008, Nature; Fukao et al. 2009)。前人多种地震学观测研究表明，西太平洋板片在东北亚地区呈现出复杂分布的形态(如Gu et al., 2012, EPSL; Fukao and Obayashi, 2013, JGR)：在勘察加半岛下方直接穿过660-km间断面而进入下地幔，在日本海-中国东北下方停滞于660-km间断面之上而形成滞留板片（stagnant slab）；但在位于两者之间的千岛下方，俯冲板片形态发生改变的地理位置存在很大争议，且引发板片俯冲模式发生转换的地球动力学机制尚不明确。
图1. 研究区域构造背景（a）和震源至台网射线路径图（b）
针对这一科学问题，爱彩人彩票崔清辉副研究员与合作者开展了深入研究。研究者从国际地震中心（ISC）收集了2002-2021期间千岛-勘察加地区的深震事件并通过IRIS等数据平台获取了全球多个密集地震台网（CNSN、KRN、GRSN、AK、BK和CI）所记录的高质量波形资料（图1），采用台阵地震学研究方法中的N次根倾斜叠加提取了震源下方间断面处转换的SdP震相，利用波形聚束分析评价了次生震相传播特性并基于合成波形进行了震相幅度拟合，得到了整个研究区域660-km间断面深度的高分辨率图像（图2）。
图2. 千岛-勘察加地区660-km间断面起伏及AA'-FF'剖面图
研究发现：（1）千岛-勘察加地区下方660-km间断面呈现北深南浅的特征，即在勘察加至北千岛（区域I，AA'-CC'剖面）为大幅度下沉（平均深度691 km）且有明显下倾现象；在南千岛（区域II，DD'-FF'剖面）则为小幅度下沉（平均深度674 km）且较为平缓（图2）；（2）通过多剖面与P、S波层析成像结果(Lu et al., 2019, JGR)、地震活动性（包括outboard earthquakes）、板片模型（Hayes et al., 2012, JGR）以及转换的温度异常与数值模拟结果(Yang and Faccenda, 2020, Nature)的比较，研究认为太平洋板片在区域I为直接穿过660-km间断面进入下地幔，在区域II则滞留在660-km间断面之上。研究首次利用间断面起伏约束得出西北太平洋板片形态发生转换的地理边界为北萨哈林岛-千岛盆地，即板片滞留形态出现的起始位置（图2）；（3）千岛-勘察加俯冲带的地幔三维不均一性对SdP震相的慢度和反方位角具有一定影响，同时对S660P震相模拟得出的速度跃变量要明显高于IASP91参考模型。
图3. 勘察加-北千岛（a）和南千岛（b）太平洋板片俯冲模式图
结合前人在西太地区的数值模拟和构造重建、千岛地区弧后盆地非对称扩张的物理模拟(如Schellart et al., 2003, Tectonics; Miller et al., 2006, JGR; Peng et al., 2021, GRL)，我们提出了一种新的西北太平洋板片俯冲模式转换机制：古俯冲所驱动的新生代西向地幔流（mantle flow）与海沟后撤（trench retreat）因素的共同作用机制。在区域I，由于弱化的地幔流以及有限的海沟后撤，板片直接进入下地幔并引起660-km间断面的大幅下沉（图3a）；在区域II，由于增强的地幔流以及明显的海沟后撤，板片则滞留于660-km间断面之上，由地幔流和板片自身所夹带的热物质弱化了板片底部的温度异常，因此出现了660-km间断面下沉幅度小且平坦的形态（图3b）。该机制对于认识西北太平洋板片的俯冲过程、俯冲区地球深部地幔圈层和表层沟-弧-盆体系构造单元的响应、板片内部应力状态和孕震分布等具有重要科学意义。
上述研究成果发表在地学领域Nature Index著名学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》（EPSL，中科院1区Top，IF：5.785）。论文第一兼通讯作者为崔清辉副研究员（中国地震局地震各向异性与深部构造创新团队成员），合作作者包括中国科学院大学周元泽教授、美国伊利诺伊大学香槟分校刘丽军教授、地震预测研究所高原研究员、李国辉副研究员和张盛峰副研究员。论文第一署名单位为爱彩人彩票地震预测重点实验室（Key Laboratory of Earthquake Prediction, Institute of Earthquake Forecasting, CEA）。该研究受到了国家自然科学基金项目（42074101、41704090 to Q.C.，41874109、42074103 to Y.Z.）和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CEAIEF20220201、2020IEF0509 to Q.C.）的联合资助。
论文信息：Cui, Q.*, Zhou, Y., Liu, L., Gao, Y., Li, G., Zhang, S., 2023. The topography of the 660-km discontinuity beneath the Kuril-Kamchatka: Implication for morphology and dynamics of the northwestern Pacific slab. Earth and Planetary Science Letters 602, 117967, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117967.
论文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0012821X22006033
（欢迎讨论与交流，Cui Qinghui：qhcui@ief.ac.cn; qhcui06@hotmail.com）
其他参考文献：
Fukao, Y., Obayashi, M., Nakakuki, T., 2009. Stagnant slab: A review. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 37, 19-46.
Fukao, Y., Obayashi, M., 2013. Subducted slabs stagnant above, penetrating through, and trapped below the 660 km discontinuity. J. Geophys. Res. 118, 5920-5938.
Goes, S., Capitanio, F.A., Morra, G., 2008. Evidence of lower-mantle slab penetration phases in plate motions. Nature 451, 981-984.
Gu, Y.J., Okeler, A., Schultz, R., 2012. Tracking slabs beneath northwestern Pacific subduction zones. Earth Planet. Sci. Lett. 331-332, 269-280.
Hayes, G.P., Wald, D.J., Johnson, R.L., 2012. Slab1.0: A three-dimensional model of global subduction zone geometries. J. Geophys. Res. 117, B01302.
Lu, C., Grand, S.P., Lai, H., Garnero, E.J., 2019. TX2019slab: A New P and S Tomography Model Incorporating Subducting Slabs. J. Geophys. Res. 124, 11549-11567.
Miller, M.S., Kennett, B.L.N., Toy, V.G., 2006. Spatial and temporal evolution of the subducting Pacific plate structure along the western Pacific margin. J. Geophys. Res. 111, B02401.
Peng, D., Liu, L., Hu, J., Li, S., Liu, Y., 2021. Formation of East Asian Stagnant Slabs Due To a Pressure-Driven Cenozoic Mantle Wind Following Mesozoic Subduction. Geophys. Res. Lett. 48, e2021GL094638.
Schellart, W.P., Jessell, M.W., Lister, G.S., 2003. Asymmetric deformation in the backarc region of the Kuril arc, northwest Pacific: New insights from analogue modeling. Tectonics 22, 1047.
Yang, J., Faccenda, M., 2020. Intraplate volcanism originating from upwelling hydrous mantle transition zone. Nature 579, 88-91.
