地球深部板片如何撕裂？地震波精准捕捉关键证据

　　【科研论文科普解读】

  地球表层的板块运动，塑造了山脉、地震、火山等诸多地质现象。在漫长的地质演化中，有一个问题一直困扰着地质学家：原本是大洋板块向地球深部俯冲的过程，究竟如何慢慢转变成大陆板块碰撞？这个转换过程在地下深处，又藏着哪些看不见的构造变化？

  想解开这个难题，最好的办法是找到正在发生这种转换的区域进行观测研究。地球上的特提斯构造域，就是研究这一过程的天然“实验室”。近日，中国科学院地质与地球物理研究所陈凌、兰海强研究员团队，联合伊朗、法国科研人员，在特提斯域内的扎格罗斯—莫克兰俯冲—碰撞转换带开展宽频带地震台阵观测，识别出两处空间位置和展布方向均不同的板片撕裂，为理解大洋俯冲向大陆碰撞转换的早期过程提供了关键地震学证据。相关研究于11月4日在线发表于《自然-地球科学》。

  选对观测窗口，聚焦地球的“地质过渡期”

  扎格罗斯—莫克兰地带是地球上十分特殊的地质区域，也是新特提斯洋闭合、大洋俯冲向大陆碰撞过渡的关键地带，是开展这类观测的天然实验室。

  为了看清地下数百公里的板片结构，研究团队在这里布设了一套宽频带流动地震台阵，包含1条主测线和5条辅助测线。2017至2018年近18个月里，科研人员持续采集远震波形数据，最终提取约5.7万条多频段P波、S波走时数据。

  地震波就像给地球做“CT”的射线。地下不同区域温度、物质组成和结构不同，地震波传播速度也会不同。研究团队利用有限频走时层析成像，重建了该区域上地幔三维波速结构，勾勒出俯冲板片在地球深部的形态。

  东西板片大不同，暗藏撕裂的“前置密码”

  成像结果显示，这片区域东侧和西侧的俯冲板片形态截然不同，也正是这种差异，为分析板片撕裂的发育和演化提供了关键结构约束。

  东侧的莫克兰区域以大洋板片俯冲为主。这块大洋板片在弧前形成约300公里长的低角度俯冲段，到了火山弧下方转为陡倾，可延伸到至少450公里深处。

  西侧的扎格罗斯区域已进入大陆碰撞阶段。这里的大陆岩石圈俯冲深度有限，不超过300公里。更特别的是，大陆板片下方还保留着一块与其分离约100公里的古大洋残片。

  两种撕裂模式，揭示板片如何逐步分开

  通俗地说，板片撕裂就是原本相连的俯冲板片，因受力不均、运动速度不同，在地下逐渐断裂、分离的现象。此次研究识别出两处形成机制不同的板片撕裂，它们协同作用，推动西侧大陆岩石圈与东侧大洋岩石圈逐步解耦。

  扎格罗斯一侧为近水平撕裂。原本相连的大洋岩石圈和大陆岩石圈先后进入俯冲带。大洋岩石圈密度大，持续下沉；大陆岩石圈密度较小，下沉受阻。两者运动速度不一致，洋陆过渡带就在差异运动下发生近水平撕裂，并逐步侧向扩展，最终使浅部大陆板片与深部大洋板片分离，中间留下一个缺口。

  莫克兰一侧为近垂向撕裂。在扎格罗斯—莫克兰构造转换边界与莫克兰海沟的交汇处，有一片地震波传播速度明显比周围慢的区域，将相邻的大洋板片和大陆板片分隔开来。不同于海沟后撤主导的经典撕裂模式，研究认为这处撕裂可能由扎格罗斯碰撞前缘持续北推、转换边界不断增长触发。模型推测，它起始于约800万年前，并已向南扩展约200公里。

  有趣的是，两处撕裂并非完全隔断。地震成像在两处撕裂之间捕捉到一段局部连续的高速异常，说明两侧岩石圈可能保留着连通结构。这个“纽带”有助于维持莫克兰地区的低角度俯冲，抑制板片后撤，而撕裂产生的板片缺口，可为高温软流圈物质上涌提供通道，进而影响区域晚中新世以来的岩浆活动。

  研究团队指出，这一研究建立了近水平、近垂向两类板片撕裂协同发育的演化模型，为认识俯冲—碰撞转换早期原本相连的大洋与大陆岩石圈如何逐步分开提供了新见解和关键的地震学约束。（光明网记者宋雅娟）