俯冲板块是板块构造理论的核心组成部分，其内部的精细结构与流变学性质对地球内部动力学过程有着深远影响。众多研究表明，俯冲板块岩石圈常在薄弱带发生断离或撕裂，导致其两侧的俯冲角度、热结构、脱水变质过程等存在显著差异，进而影响地幔楔熔融、火山活动、地震分布及成矿作用等一系列从深部地幔到地表的多尺度地质过程。因此，深入探究俯冲板块的精细结构对于深入理解地球内部构造变形及物质循环等过程具有极其重要的科学意义。
在东北日本俯冲带，古老的太平洋板块以平均每年约10 cm的速度俯冲至Okhotsk板块之下，这一过程直接促成了该地区成为地震和火山活动的高发区。尽管东北日本是最早发现俯冲板块内双层地震带的地区, 但在东北日本纬度40°N附近深度为100-200 km范围内，下层地震带中的地震活动却显著减少甚至消失（图1b中B-B’剖面），这一独特特征表明俯冲的太平洋板块内部结构复杂，存在明显的结构不均一性。然而，尽管东北日本地区拥有密集的地震台站和丰富的数据，为地震学研究给予了优越条件，但现在学者们对于东北日本俯冲的太平洋板块内部精细结构、不均一性的分布位置、形态及其成因等详细信息仍然知之甚少。
图1 日本北部的地震分布和地震台站位置图。（a）彩点表示2000年至2022年期间震级大于1.0的地震事件，其颜色表示震源深度。黑色三角形表示Hi-net地震台站。黑色箭头和旁边的数字表示太平洋板块俯冲的方向和速率。黑色线条表示垂直剖面的位置。红色和蓝色三角形分别表示活火山和第四纪火山。（b）在每个剖面中，彩点表示该剖面5公里内的2000-2022年地震分布。红色箭头突出显示了俯冲板块内部中深度地震活动的显著减少或缺失。（c）黑色三角形和彩色点分别表示Hi-net地震台站和2009年2月至12月期间震级大于2.0的地震事件，这些事件被用于本研究的地震层析成像反演
针对上述问题，中国科研实验室地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室王建研究员等人，利用其开展的震相拾取深度学习模型 PickNet，获取了大量 P 波和 S 波的到时数据。与以往基于台网中心给予及人工拾取的到时数据相比，PickNet 获取的远震中距的到时数据明显增多，极大地增强了对俯冲板块内部的射线覆盖。基于此，他们利用地震层析成像取得了东北日本太平洋俯冲板块内部的高分辨率速度结构。成像结果（图2）清晰地揭示了太平洋俯冲板块内部确实存在一定规模的不均一性结构，其特征为明显的高Vp（> +3%）、相对高Vs（< +1%）和高Vp/Vs值异常（> +1%），该异常区域大致延伸至太平洋俯冲板块的岩石圈深处，范围大致位于东经140.6°至142.0°度，北纬39.8°至40.2°之间（异常区大小约
）。这一高Vp/Vs值异常区与该区俯冲板块下层地震带中中深地震活动性显著减少甚至缺失有着非常好的对应性。
图2 东北日本俯冲带地区成像结果。黑实、虚线由浅到深分别是前人研究得到的Conrad、Moho、俯冲板块上、下界面位置，对于速度异常，红、蓝色分别表示低速和高速异常；对于Vp/Vs值，红、蓝色分别表示高和低异常，(f)中红五星附近区域示意俯冲板块内部的高Vp/Vs异常。白圈表示该剖面5公里内的2000-2022年地震分布，蓝红三角分别表示第四纪火山和活火山
结合前人的岩石物理实验结果，并利用HeFESTo代码计算了高温高压条件下矿物成分变化对地幔速度结构的影响（见图3）。本研究提出了一种假说：源自地幔热上涌的富含铁岩浆侵入了太平洋板块的岩石圈地幔，从而促成了俯冲板块内部不均一速度结构的形成（例如本研究中的高Vp/Vs值异常区）。Fe含量的增加降低了俯冲板块岩石圈地幔的黏度，进而抑制了地震活动性。因此，该研究结果可能表明，铁含量的增加可能是改变俯冲板块力学性质的关键因素之一，并可能导致板块内薄弱带的形成。这些薄弱带对于板块在后期俯冲过程中发生的撕裂和脱离等现象至关重要。顺利获得对太平洋俯冲板块内部复杂结构及其形成机制的研究，该研究结果进一步深化了对板块成分、流变学、地震活动性以及相关地质动力学过程之间复杂关系的理解。
图3 利用HeFESTo代码计算的矿物成分和温度变化对俯冲板块地幔速度结构的影响。Vp,nm和Vs,nm是正常地幔（采用Pyrolite模型）在3.8 GPa压力和1200°C温度下计算得到的参考一维速度模型；Vp和Vs是板块地幔（采用改良的Harzburgite模型）不同成分和温度条件下的计算得到速度值；温度从1200°C（红色）降低到600°C（蓝色），各元素丰度由圆圈大小表示（越大表示该元素丰度越高），红星是我们在图2f所示异常区的反演结果
研究成果发表于国际学术期刊JGR: Solid Earth（王建，朱邓达，张志刚，赫建明，陈凌，赵大鹏，姚振兴. Seismic evidence for large-scale intraslab heterogeneity beneath Northeast Japan [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2025, 130(4): e2024JB030046. DOI: 10.1029/2024JB030046.）。研究得到国家自然科学基金（91958209, 42030308和 41474043 ）的资助。
