2024, Vol. 45
2) 中国北京 100049 中国科学院计算地球动力学重点实验室;
3) 中国北京 100045 中国地震台网中心
2) Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
地幔转换区（Mantle Transition Zone，MTZ）位于上、下地幔之间，其上下边界为410 km和660 km深度处的速度间断面（以下称为410和660间断面）（Helffrich et al，2001）。它是联系上下地幔的重要纽带，对深入认识地球内部物质组成、温度结构、化学组分变化、动力学过程具有重要意义（俞春泉等，2023）。
高温高压实验结果显示，MTZ的主要矿物为石榴子石（majorite）、林伍德石（ringwoodite，γ相橄榄石）、瓦兹利石（wadsleyite，β相橄榄石）以及少量的钙钛矿和辉石（Katsura et al，1989；Irifune et al，2008）。学者们普遍认为MTZ中的速度间断面是由于矿物相变形成的：其中，410间断面对应橄榄石（olivine，α相橄榄石）到瓦兹利石的矿物相变，该相变过程为放热反应，具有正的克拉伯龙斜率；660间断面是林伍德石向布里奇曼石（bridgmanite）和铁方镁石（ferropericlase）相变的结果（Frost，2008），其相变过程为吸热反应，克拉伯龙斜率为负值（-3 MPa/K— -0.4 MPa/K）（Bina et al，1994；Fei et al，2004；Litasov et al，2005；Akaogi et al，2008）。410和660间断面的起伏形态反映了MTZ内温度变化特征。在低温俯冲板块区域，410间断面抬升，660间断面下沉，MTZ增厚；在高温热点区域，410间断面下沉，660间断面抬升，MTZ减薄（Obayashi et al，2006；Courtier et al，2007）。
由于地震波形携带地球内部丰富的结构信息，通过研究MTZ的地震波速度结构以及间断面的起伏形态，有助于理解地球深部的物质组成、温度和化学结构特征以及动力学过程（Niazi et al，1965；Tajima et al，1995，2009；Tseng et al，2008；Chen et al，2022；Li et al，2022；Cui et al，2023）。从地震学角度，研究MTZ的方法主要有地震层析成像、接收函数及三重震相波形拟合等方法。其中，地震层析成像方法可以获取多尺度速度结构图像，但难以刻画间断面附近的精细结构；接收函数方法可以探测间断面的起伏形态，但不足以约束较厚的渐变型速度间断面。而地震波中三重震相到时差以及振幅比对MTZ间断面附近的速度结构较为敏感，有利于探测尖锐和渐变的速度间断面。通过三重震相波形拟合方法，可以有效约束MTZ间断面附近的速度结构以及间断面的起伏变化特征（Niazi et al，1965；Tajima et al，1995，2009；Tseng et al，2008；眭怡等，2015；Chu et al，2019；Li et al，2022；苏慧等，2023；Cui et al，2023）。
1 三重震相方法“三重震相”（triplication）现象是在特定震中距的同一台站记录到地震波在间断面附近产生的不同震相，即来自在间断面上方和下方形成的回折波，以及在间断面处形成的反射波，在走时曲线图中呈现“蝴蝶结”特征（图 1）。当区域地震波（10°—30°）穿过MTZ时，受到间断面以及中间转换区速度梯度的影响形成2套三重震相，即在走时曲线图中，在震中距10°—30°范围内呈现出2个“蝴蝶结”特征。以IASP91（Kennett et al，1991）理论模型为例，图 1中AB和CD分别为410和660间断面上方的回折波；BC和DE分别表示410和660间断面的反射波；CD和EF分别为穿过410和660间断面，在间断面下方传播的回折波（图 1）。
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图 1 410和660间断面附近的P波三重震相射线路径及走时曲线图（引自Wang et al，2018） AB、CD分别表示在410和660间断面上方的回折波；BC、DE分别表示410和660间断面的反射波；CD、EF分别表示在410和660间断面下方传播的回折波 Fig.1 Ray paths and traveltime curves of the P-wave triplications near the 410 and 660 discontinuities (from Wang et al, 2018) |
同一台站记录到相邻震相的射线穿过近源区和近台区相似的速度结构，而在射线拐点附近采样的速度结构出现明显差异。因此，可以利用三重震相的相邻震相之间的相对到时差和振幅变化对间断面及其附近的速度结构较为敏感的特点，来约束MTZ及间断面附近速度结构。
三重震相波形拟合方法是研究MTZ附近和间断面的速度结构，以及间断面起伏形态特征独特有效的方法。该方法主要通过对比模拟波形与实际观测波形特征，例如相邻震相之间的相对到时差、振幅比等，来获取MTZ附近的精细速度结构和间断面的起伏形态。
在研究上地幔速度结构方面，相较于层析成像、接收函数等地震学方法，三重震相波形拟合方法的优点是无需大量地震事件，利用同一地震事件便可探测地震波射线拐点附近的速度结构，消除来自震源附近以及台站附近速度结构带来的影响。此外，该方法的纵向分辨率相对较高，可以更好约束地球深部速度间断面附近的结构。
2 三重震相对地幔转换区结构的响应通常来说，在IASP91理论走时曲线图（图 1）中，在震中距12°—21°范围内可观测到410间断面产生的三重震相，AB和CD分支相交于震中距约18°处；在震中距18°—28°范围内可观测到660间断面产生的三重震相特征，CD和EF分支相交于约23°处。
三重震相变化特征主要体现在同一震相到时、相邻震相之间相对到时差以及振幅大小随着震中距发生系统性改变上。这些变化特征与MTZ内速度梯度的大小、间断面速度结构特征、间断面深度等多个因素有关。例如，CD震相消失的震中距范围与660间断面上方速度梯度大小以及间断面深度有关；CD和EF震相以及CD和DE震相的相对到时差和振幅变化分别反映了660间断面速度跃变量的大小和660间断面上方速度结构特征。
一般从以下3个方面分析MTZ速度结构特征，这里以660间断面附近速度结构为例。首先，是660间断面的深度变化，体现了间断面附近的地幔温度变化、化学成分、含水量的特征。其次，是660间断面处速度跃变量的大小，反映了地幔物质在间断面处发生相变和性质的改变。最后，是MTZ内的速度异常结构，例如MTZ顶部低速层，反映了地幔物质脱水部分熔融；与板块俯冲有关的滞留在MTZ内部或穿过MTZ的高速体。因此，这3个因素共同影响了MTZ附近的速度结构。
为了具体分析三重震相对影响MTZ速度结构不同参数的响应情况，本文基于IASP91模型，改变其中一个参数作为扰动模型，比较扰动模型与IASP91模型之间的理论地震图和理论走时曲线，进一步加深对三重震相变化特征的理解。
2.1 660间断面速度跃变量的影响660间断面速度跃变量与间断面附近速度有关，即间断面上方和下方的速度差值。间断面速度跃变量的改变包括增大和减小2种情况。间断面上方速度减小和/或间断面下方速度增大将导致660间断面速度跃变量增大或减小。这里，以间断面速度跃变量减小为例，分析间断面上方速度增大和间断面下方速度减小的2种扰动模型，探究地震波对间断面跃变量减小的响应情况。
如图 2，扰动模型M1是基于IASP91模型，只增大660间断面上方速度，使间断面速度跃变量减小。与IASP91理论波形相比，M1波形整体提前，CD和EF交叉点O的震中距从22°减小到21.5°。一个明显特征是，CD和EF震相的相对到时差减小，当震中距大于22.8°时，出现“窄DOF”现象。另一个显著特征是，D点消失的震中距减小，CD分支显著缩短。
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图 2 P波速度模型M1及理论波形 (a) P波速度模型M1。图中红色线和黑色线分别表示扰动模型M1和IASP91模型P波速度，绿色五角星表示震源深度位置；(b)理论波形图。绿色和黑色走时曲线分别由M1与IASP91模型计算得到 Fig.2 P-wave velocity model M1 and synthetic waveforms |
如图 3，扰动模型M2与IASP91相比，只减小660间断面下方速度，使间断面速度跃变量减小。相较于IASP91理论波形，M2波形中仅有EF分支滞后，其他分支到时均不变。E点消失的震中距减小，而D点消失的震中距不变；ED分支缩短，而CD分支长度未发生变化。大于交叉点O对应的震中距时，CD和EF震相的相对到时差减小，也出现“窄DOF”现象。这说明EF分支对于660间断面下方的速度结构变化较为敏感。但相较于间断面上方存在高速异常结构导致的波形特征，间断面下方存在低速异常结构并不会使CD分支发生明显缩短。
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图 3 P波速度模型M2及理论波形 P波速度模型M2；(b)理论波形 Fig.3 P-wave velocity model M2 and synthetic waveforms |
综上，在地震波走时曲线图中，CD和EF分支的相对到时差减小，即出现“窄DOF”现象，这与对应间断面的速度跃变量减小有关，反之“宽DOF”现象与间断面的速度跃变量增大有关。
2.2 660间断面深度的影响660间断面深度的变化包括抬升和下沉2种情况，本研究以660间断面下沉为例，探究地震波对间断面深度变化的响应情况。基于IASP91模型，仅将660间断面深度下沉至690 km，其他速度结构不变，得到扰动模型M3。如图 4，随着660间断面下沉，交叉点O震中距增大。CD震相到时不变，而EF和DE震相到时均延迟。D点消失的震中距增大，CD分支变长。大于交叉点O对应的震中距时，CD和EF震相的相对到时差明显减小，出现“窄DOF”现象。小于交叉点O对应的震中距时，CD和EF震相的相对到时差明显增大，出现“宽COE”现象。
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图 4 P波速度模型M3及理论波形 (a)P波速度模型M3；(b)理论波形 Fig.4 P-wave velocity model M3 and synthetic waveforms |
MTZ内速度异常结构的速度值以及位置也会对三重震相波形产生不同影响。基于IASP91模型，在MTZ内加入速度降为-3%的低速异常结构，得到扰动模型M4。波形发生整体延迟，D点消失的震中距增大，CD和DE分支均增长，且CD分支斜率减小。大于交叉点O对应的震中距时，CD和EF震相的相对到时差增大，出现“宽DOF”现象（图 5）。如图 6，当速度异常结构上界面为速度跃变面时，由于出现新的速度间断面，模型M5对应的模拟波形随之出现新的三重震相现象。D点消失的震中距减小，CD和DE分支均缩短，但CD分支斜率不变。
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图 5 P波速度模型M4及理论波形 (a) P波速度模型M4；(b)理论波形 Fig.5 P-wave velocity model M4 and synthetic waveforms |
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图 6 P波速度模型M5及理论波形 (a) P波速度模型M5；(b)理论波形 Fig.6 P-wave velocity model M5 and synthetic waveforms |
最初，Niazi等（1965）利用P波三重震相波形拟合方法研究美国西部地区MTZ速度结构。之后，P波、S波三重震相方法逐渐广泛应用于研究全球多个地区的MTZ以及间断面速度结构，例如东北亚地区（崔辉辉等，2016；Lai et al，2019；苏慧等，2023）、青藏高原地区（Chen et al，2007；Chu et al，2019）以及北美地区（Alex Song et al，2004）等（图 7）。
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图 7 P波和sP波三重震相波形拟合方法在地幔转换区的应用（引自Li et al，2023） (a)P波速度模型；(b)—(d)分别为图(a)中子区域A、B、C对应的P波、sP波观测波形（黑线）与理论波形（红线）的三重震相波形拟合图 Fig.7 Application of P- and sP-wave triplications waveform fitting method in the MTZ (from Li et al, 2023) |
目前，利用三重震相方法，得到不同区域MTZ间断面的形态特征主要有尖锐的速度界面（即速度跃变面）（Tajima et al，2009；崔辉辉等，2016；Li et al，2022）和渐变的速度界面（即速度梯度面）（Li et al，2013；李国辉等，2014）。通常观测到的410和660间断面是速度跃变面（Tajima et al，2009；Li et al，2022），局部地区为较厚的过渡带（Li et al，2013）；而欧洲南部的410间断面是具有一定厚度的半渐变半跃变的速度结构（万柯松等，2008）。
660间断面的速度结构特征以及其起伏形态为地幔对流和深部板块动力学研究提供了重要参考依据。东北亚地区下方660间断面的起伏形态与MTZ底部滞留高速板片结构的上界面形态具有较强的相关性，均表现为北部深南部浅、东部深西部浅的特征（苏慧等，2023）。在千岛群岛—勘察加半岛，660间断面的形态起伏特征，则反映了压力驱动的地幔流和海沟后撤导致太平洋板块在不同区域发生俯冲模式的变化（Cui et al，2023）。
3.2 探测地幔转换区附近的速度异常结构在一些地区的410和660间断面附近观测到低速层结构（Alex Song et al，2004；眭怡等，2015；Li et al，2022，2023）。Alex Song等（2004）利用S波三重震相波形拟合方法发现美国西北部MTZ顶部存在20—90 km厚的低速层，认为该低速层是由于部分熔融形成。Li等（2019）利用P波三重震相波形拟合方法探测到南海东北部的地幔转换区顶部存在厚的低速层，该低速层速度异常值较弱，推测可能由于上升的地幔柱残留的含水物质发生部分熔融形成。中亚造山带西部的MTZ顶部探测到低速层，这与古亚洲洋俯冲板块释放的水和/或挥发性物质诱发部分熔融有关（Li et al，2022）。
在一些地区的MTZ附近也探测到高速异常结构，通常认为是冷的俯冲板块或是滞留在MTZ内的岩石圈拆沉物质。Tajima等（1995）利用三重震相波形拟合方法约束了南千岛俯冲带MTZ中的高速异常结构。P波和SH波二维三重震相波形拟合结果显示，东北亚地区660间断面上方存在一个长约1 200 km、厚度140 km的高速异常层，与俯冲太平洋板片滞留有关（Lai et al，2019）。在东北亚边缘地区，苏慧等（2023）也发现660间断面上方存在俯冲的高速太平洋板片滞留体，并且该滞留板片向西展平堆积；滞留板片上界面的P波速度变化特征显示了俯冲沉积物可能在MTZ内发生脱水相变形成含黄玉的矿物。
3.3 指示地幔转换区温度、矿物含水量、化学成分含量的变化特征通常认为地震波速度对温度变化较为敏感。在地震学中观测到的410和660间断面的起伏形态，指示了MTZ温度的变化特征。高温高压矿物物理实验结果显示，410间断面对应的矿物相变过程为放热反应，克拉伯龙斜率为正；660间断面对应的矿物相变过程为吸热反应，克拉伯龙斜率为负（Bina et al，1994；Fei et al，2004；Litasov et al，2005；Akaogi et al，2008）。因此，当观测到410间断面下沉和/或660间断面抬升，可能与MTZ附近存在高温异常有关，例如在MTZ顶部，由于部分熔融或热异常形成的低速层（高雅健等，2017）；410间断面抬升和/或660间断面下沉，可能表明MTZ存在低温异常，例如在板块俯冲区域（苏慧等，2023）。
MTZ中矿物含水量影响地震波的传播速度。含水量的增加会降低地震波速度，也可能使410和660间断面变宽（Muir et al，2021）。矿物物理实验表明，MTZ中含水量的增加会使410间断面抬升，660间断面下沉，这与MTZ存在低温异常对间断面的影响相类似（Smyth et al，2006）。矿物高温高压实验显示，含水的林伍德石对应的vP/vS值明显增加（Sinogeikin et al，2003）。
地幔物质的化学成分含量变化也会对地震波速度产生一定影响。一般认为，地幔中橄榄石的含量与410和660间断面的速度跃变量成正比（Xu et al，2008）；橄榄石、石榴子石和瓦兹利石中Fe、Al元素的含量变化影响间断面附近的速度结构（Katsura et al，1989，2004；Wang et al，2006）。在富Fe的MTZ中会形成浅而宽的间断面（Katsura et al，2004）；地幔中Al的含量影响了660间断面的尖锐程度（Wang et al，2006）。张瑞青等（2011）认为，在藏西北MTZ内SH波和P波的速度梯度存在差异，可能与MTZ中铝的含量增多有关。
4 结论地幔转换区是深入理解地球内部上下地幔之间物质组成和能量交换的重要区域。本文通过梳理三重震相对MTZ的响应情况以及MTZ的三重震相波形拟合研究结果，得到以下认识和结论：
（1）利用三重震相变化特征不仅有效约束MTZ附近间断面的起伏形态以及速度结构，也可以探测MTZ附近速度异常体的位置以及速度异常值大小。
（2）通过三重震相方法探测得到MTZ速度结构，结合间断面起伏形态特征与MTZ温度异常之间的关系，为追踪俯冲板片形态特征提供重要参数，讨论可能的地幔对流模式，深入理解区域动力学过程。
（3）MTZ间断面的起伏形态以及其附近的速度结构特征，结合高温高压实验结果，有助于认识地幔温度、MTZ矿物含水量、物质化学成分含量的变化特征。
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