在国家自然科学基金项目（批准号：41861134009）资助下，中国科学技术大学张海江教授研究团队和英国布里斯托大学Robert Myhill博士在伊豆－小笠原俯冲带太平洋俯冲板片形态分布的研究工作中取得重要进展，确定了伊豆－小笠原俯冲带板片的高分辨波速结构，发现该板片在上地幔深部和地幔过渡带存在撕裂且撕裂两侧有明显差别，进而约束了该板片在上地幔深部和地幔过渡带的变形和流变学性质。研究成果以“Slab Morphology and Deformation Beneath Izu-Bonin”（伊豆－小笠原俯冲带板片形态和变形研究）为题，2019年3月21日在线发表于Nature Communications（《自然·通讯》）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09279-7。
板块俯冲是全球板块构造学说的一个重要组成部分。板片在俯冲过程中不仅会携带不同的物质组分到地球内部，且其运动轨迹受很多因素控制，包括板片本身的密度和流变学性质以及周围地幔的运动状态。通常俯冲板片的形态是以板片内发生的地震分布来确定，但由于板片内部地震非均匀分布尚不能给出板片完整的形态信息。因相对较冷的板片在俯冲带会呈现地震波高速异常，目前也采用地震成像方法来确定俯冲板片形态。但是，在大洋俯冲带上方的地震台站分布稀疏，传统的地震成像方法只能给出分辨率较低的俯冲板片结构。
张海江教授研究团队长期致力于不同尺度地下结构先进地震成像算法的研发。研究中，该团队采用双差地震成像算法，利用全球地震台站记录的伊豆－小笠原俯冲带地震到时数据，获得了该区域俯冲板片的高分辨形态分布特征。研究发现该俯冲板片在上地幔深部和地幔过渡带（深度300-650km）存在撕裂且撕裂两侧存在明显区别：在北侧，板片停滞并几乎平躺在地幔过渡带底部；而在南侧，俯冲板片发生了反转，上下颠倒地平躺在地幔过渡带底部，这是首次在全球俯冲带发现该现象。此外，研究团队认为俯冲板片所呈现的弯曲、撕裂和反转特征是由于海沟从北向南前进的速率在加快，且剪切生热导致的低速异常条带表明板片的变形以局部剪切为主要机制，俯冲板片在上地幔深部和过渡带具有高粘滞性，这与地球动力学数值模拟结果一致。此外，该团队发现2015年伊豆－小笠原俯冲带无震区域深度达680km的M7.9深源地震是发生在板片撕裂附近且位于反转板片内部较冷的部分，解释了该深源地震产生的机制。
图1 利用三维地震速度成像结果确定的俯冲板片的高分辨形态分布，可清楚地看到板片的撕裂和反转
图2 垂直于俯冲海沟穿过2015年小笠原7.9级地震的地震纵波速度异常剖面，其中向左倾的蓝色高速异常代表俯冲板片