近日，国际地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》（EPSL）以“Seismic evidence for a slab window beneath central Sumatra”为题，发表了海洋地质全国重点实验室于有强教授团队的最新研究成果。研究团队利用大规模接收函数成像，结合地震层析成像、热流、深源地震和火山分布等资料，在中苏门答腊下方识别出新的板片窗，并推测其成因可追溯到早中新世晚期至中中新世（约20‒15 Ma）的一次板片断离事件。三维热‒力学模拟进一步表明，俯冲板片沿海沟方向的年龄差异可造成不均匀回撤，进而在非碰撞环境中触发板片断离。由此形成的深部通道可能促进印度洋与南海之间的地幔物质交换。
南海周缘长期受俯冲系统包围，按此认识，其下方地幔应与印度洋地幔相对隔离。然而，国际大洋发现计划获取南海西南部玄武岩样品却显示较为明显的印度洋型洋中脊玄武岩同位素特征，其来源一直存在争议。俯冲板片温度低、密度大，通常会阻隔板片两侧的软流圈地幔，但是板片发生撕裂或断离后形成的板片窗，可以提供跨越俯冲板片的地幔流动通道。因此，查明处于印度洋与南海之间的苏门答腊深部板片是否连续，是解释南海‒印度洋地幔物质联系的关键。
该研究汇集了8个地震台网197个台站记录的5705个远震事件，共获得34255条高质量接收函数。研究采用考虑非平面波的深度转换和叠加方法，系统刻画410千米和660千米地震不连续面的起伏及地幔转换带厚度。由于410千米和660千米相变具有相反的克拉伯龙斜率，地幔转换带增厚通常反映冷的俯冲物质，减薄则多与高温异常有关。为降低单一资料解释的多解性，该研究还将接收函数结果与速度结构、径向各向异性、热流、深源地震及岩浆活动记录进行综合对比，并通过三维数值模拟检验板片断离的动力学条件。
研究结果显示，中部和南部苏门答腊普遍发育增厚的地幔转换带，平均厚度约266千米，明显大于一维参考地球模型给出的约250千米，表明冷的俯冲板片已进入地幔转换带。与此相邻，多巴（Toba）火山区及中苏门答腊弧前局部出现明显减薄，分别约为239千米和227千米，指示局部存在热物质上涌。
更关键的证据来自中苏门答腊沿走向的结构差异。其西段和东段的地幔转换带增厚主要由410千米界面抬升造成，符合冷板片向深部延伸的预期；中段则主要表现为660千米界面下沉，而410千米界面未出现相应抬升。多套层析成像模型在同一区域显示，上地幔中的板片高速异常与地幔转换带内的深部高速体相互分离。此外，中段410千米界面较清晰、520千米界面较弱，而两侧410千米界面更宽，520千米界面更强或发生分裂。这些相变界面特征虽不能单独确定含水量，却与中段板片来源流体供应减少的情形相吻合。地幔转换带结构、速度异常及相变界面特征相互印证，表明中苏门答腊板片在该处并不连续。
图1.苏门答腊地幔转换带结构与速度异常。A—C分别为410千米、660千米不连续面深度及地幔转换带厚度；D为380千米深度纵波速度异常；E—F为穿过和沿苏门答腊俯冲带的接收函数与速度结构剖面。红色五角星标示推测的板片窗位置。
中苏门答腊弧前的地幔转换带减薄与低速异常和负径向各向异性在空间上相互对应，指示以垂向运动为主的热地幔上涌。该区弧后平均热流约140 mW m⁻²，接近全球大陆平均值的两倍；同时，深度大于255千米的地震明显少于邻近地区。高热流、深震稀少和弧后火山活动均支持板片窗上方存在温度较高的地幔环境。单纯的地幔上涌可以解释局部转换带减薄，却难以同时解释410千米界面冷板片信号的缺失以及浅、深高速体的分离，因此更可能是板片窗形成后的动力学响应。
地质记录为板片窗的形成时间提供了进一步约束。若板片仍在持续断离，通常会伴随较年轻且广泛的岩浆或侵入活动；中苏门答腊弧后并未显示这样的现今响应。相反，该区最近一次显著侵入活动、构造抬升与褶皱、盆地反转及热事件集中在约20—15 Ma。研究据此认为，现今观测到的板片窗很可能是一次中新世板片断离事件的遗迹，随后断离的板片继续下沉并保存在地幔转换带内。
为解释非碰撞环境下板片为何发生断离，研究团队开展了三维热‒力学数值模拟。苏门答腊海沟前缘的大洋岩石圈年龄沿走向差异显著，不同年龄板片在温度、密度和强度上的差异会产生不均匀的板片回撤。模拟显示，较老、较冷的板片回撤更快，使海沟逐渐弯曲；年轻、较弱的板片段随之转为斜向俯冲并率先发生断离，裂口随后沿走向扩展，软流圈地幔通过板片窗进入地幔楔。模拟得到的断离时序与地质资料限定的中新世构造‒岩浆事件大体一致，说明即使不预设洋中脊或先存薄弱带，板片性质差异本身即可造成局部断离。
图2 非碰撞俯冲背景下板片断离的三维热—力学模拟。板片沿走向的年龄差异造成不均匀回撤和海沟弯曲，断离由年轻、较弱的板片段开始并沿走向传播，软流圈物质随后通过板片窗上涌。
这一深部结构也为南海西南部的印度洋型地幔信号提供了新的地球物理解释。约20‒15 Ma，南海仍处于海底扩张阶段，中苏门答腊板片断离形成的缺口可使印度洋一侧的板片下方软流圈地幔进入地幔楔；弧后地幔对流以及南海扩张产生的洋中脊吸力可能进一步推动物质向东北方向迁移。因此，苏门答腊板片窗将区域地震学观测、南海玄武岩同位素特征和东南亚中新世构造演化联系起来，为认识大洋俯冲系统对边缘海深部物质组成的影响提供了一种动力学解释框架。
图3 苏门答腊板片窗演化及现今构造示意图。约20—15 Ma发生的板片断离为板片下方地幔进入地幔楔提供通道；现今中苏门答腊浅部板片与地幔转换带内的断离板片残片相互分离。
论文第一作者和共同通讯作者为海洋地质全国重点实验室于有强教授，匈牙利地球物理与空间科学研究所Alexander Koptev为共同通讯作者。我室博士后席家骥、俞恂副教授参与该项研究，其他合作者来自德国亥姆霍兹地球科学中心、瑞士苏黎世联邦理工学院、德国柏林自由大学、印度尼西亚气象气候和地球物理局、美国蒙大拿理工大学及德国卡尔斯鲁厄理工学院等。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市基础特区研究计划等资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120306