岩石圈–软流圈边界（Lithosphere–Asthenosphere Boundary,LAB）是划分地球刚性岩石圈与黏塑性软流圈的关键界面，其深度、结构细节及物性变化对理解地球热演化和板块构造具有重要意义。传统地震学研究认为，LAB处普遍存在一个地震波速度急剧下降的界面，与部分熔融密切相关(Chen et al.,2008;Fischer et al.,2010;Wang et al.,2024)。然而，近年来的高分辨率地球物理观测表明，LAB 并非单一速度突降面，而是结构复杂的多层系统（Lithosphere–Asthenosphere Boundary Zone， LAB zone）（图1）。例如，勘探地震学在大西洋识别到相距约10 km的正负速度界面(Mehouachi & Singh,2018)，新西兰等地亦观测到厚度可达10–12 km的熔体滞留带(Herath et al.,2022;Stern et al.,2015)，反映 LAB 可能为一个熔体薄层主导的“LAB zone”。多学科观测均显示从岩石圈到软流圈存在明显的物性突变，但不同方法在刻画其细节结构方面具有显著差异。这些差异不仅源于各方法对物性参数的敏感度差异，更暗示LAB系统可能存在复杂多层级结构和/或动态行为。
图1 LAB为单一地震波速度突降面（左）与LAB zone作为结构复杂的多层系统（右）的示意图
马里亚纳俯冲带作为典型的大洋俯冲系统（图2），具有年龄古老、富水性强等特征，为研究俯冲带深部水循环及 LAB 结构提供了天然窗口。然而，由于海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer，OBS）的稀疏部署以及海底高噪声环境、海水和沉积物的影响，许多陆地地震学方法难以直接应用，而需要面向OBS数据的方法来提升海底地下精细结构成像能力。
图2 马里亚纳海沟区域及单台 OBS 接收函数波形。(a) 橙色倒三角为本研究采用的 OBS 台站位置；黄色实线表示海沟，灰色震源球来自 GCMT 目录（1900–2023），黄色虚线表示 Slab 2.0 模型给出的俯冲板片深度；(b) 各台站观测获得的径向接收函数，按 OBS 部署深度由浅至深排序
针对上述科学挑战，中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生张嘉惠在特聘研究员王新的指导下，联合多位合作者，发展了适用于OBS的岩石圈尺度成像方法，并成功获得马里亚纳俯冲带的S波速度结构。研究团队利用正演模拟系统评估水层和深海沉积层对接收函数及面波频散的影响；在此基础上，发展了显式考虑水层效应的跨维贝叶斯联合反演方法。该方法通过多频接收函数与面波频散数据的联合反演，充分利用两类数据的互补敏感性，并在反演模型中引入水层厚度等先验条件，从而实现对海洋下方岩石圈结构的准确刻画。
图3 示例 OBS 台站的观测数据与反演结果。(a) B02S 台站，位于板片俯冲前的海沟外侧；(b) B15L 台站，位于板片俯冲后的弧前区域。图中展示了不同滤波频带下的接收函数观测波形及其反演拟合结果、对应的面波频散曲线与拟合结果，以及反演获得的S波速度模型的后验概率密度分布。Vs模型中红线表示反演得到的平均速度结构。图中高亮区域分别标示了地壳、与地幔水化有关的上地幔低速层以及富熔融的岩石圈–软流圈边界
研究结果（图3、图4）表明，在即将俯冲的太平洋板块顶部（10–35 km）存在显著低速层（LVZ），反映上地幔经历强烈蛇纹岩化。与传统仅依赖面波的研究相比(Cai et al.,2018)，本次成像得到的 LVZ 更深、速度更低，表明地幔实际含水量可能更高。根据岩石物理实验结果推算，该区域蛇纹岩化程度可达14–32%，对应含水量最高约4 wt%，提升了对深部水输入规模的认知。
图4 (a) OBS 台站下方的一维 S 波速度结构沿海沟法线方向投影。粗虚线表示 Slab 2.0 模型。上方图像显示沿剖面测得的海底地形数据及台站位置。右侧插图突出显示了岩石圈底部观测到的低速区；(b) 与Cai et al. (2018)速度结构的对比；(c)马里亚纳俯冲带区域结构示意图
该研究最重要的发现是在约 70 km 深度的岩石圈底部识别出一处速度先快速下降、后迅速回升的 LVZ，构成一层厚约 15 km 的富熔体带（图3、图4）。该结构与主动源地震成像揭示的 LAB 复杂性一致，但本研究首次通过 OBS 被动源数据实现高分辨率刻画。该 LVZ 的约 10% 速度下降对应 1–4% 的部分熔融(Wang et al.,2024)，说明 LAB 并非简单单一界面，而是内部存在熔体富集的层状系统。这一熔体滞留带可显著降低黏度，增强岩石圈–软流圈之间的力学解耦，是驱动板块运动的重要深部动力学机制。
研究成果发表于国际学术期刊 GRL（张嘉惠、王新*、蔡晨、王元、杨建锋、黄兴国. Seismic Imaging of Upper Mantle Serpentinization and Ponded Melt at the Boundary of the Lithosphere and Asthenosphere in the Central Mariana Subduction Zone [J]. Geophysical Research Letters,2025,52: e2025GL119716. DOI: 10.1029/2025GL119716.）。研究得到中国国家重点研发计划（2022YFF0802600）和国家自然科学基金（No. 42106067）的资助。
张嘉惠（博士生）
