【项目巡礼】东西伯利亚-阿拉斯加地区壳幔流变性及其对地震和火山活动的意义

东西伯利亚至阿拉斯加地区位于北太平洋板块向北美板块俯冲的关键部位，发育强震、火山、海啸和大陆岩石圈变形等多种地质现象，是研究海洋板块俯冲、地幔熔融、岩浆活动和壳幔相互作用的理想的天然实验场。该区北接北冰洋，南邻北太平洋俯冲带，涵盖堪察加半岛、阿留申群岛、白令海、阿拉斯加及其邻区，地震和火山活动的空间差异十分显著。阿留申弧和堪察加半岛火山活动强烈，阿拉斯加中南部却发育Denali火山空缺带，远离俯冲带的白令海及西阿拉斯加地区仍存在板内火山活动（图1）。上述现象表明，北太平洋俯冲系统中的热物质供给、流体释放和岩石圈强度具有明显的横向变化。厘清这些变化的深部结构基础，是认识该区强震孕育、火山形成和大陆变形机制的关键。

图1 东西伯利亚-阿拉斯加地区地表地形图。图中叠加了北太平洋板块俯冲方向和速率（白色箭头和长度），俯冲带（白线）和北美板块之下太平洋板块俯冲等深线（细黑线）（Hayes et al.，2018），以及火山分布（https:/volcano.si.edu），其中远离俯冲带的板内火山用红色阴影区标出

地震波穿过不同性质的岩石时，能量损耗会发生明显变化。高温、含流体或含熔体的区域，往往表现出强衰减；冷而坚硬的区域，则对应弱衰减。由此，衰减成像成为观测壳幔结构的重要途径。

中国科学院地质与地球物理研究所赵连锋研究员团队将该区域作为重点研究区，依托俄罗斯东西伯利亚区域台网、美国阿拉斯加台网、全球地震台网及相关流动台网资料，通过建立多震相地震波衰减模型，来识别地壳和上地幔中的热异常、流体活动和部分熔融分布。模型可以将地下介质的冷热状态和物质运移过程联系起来，从而为理解北太平洋俯冲带的地震、火山和构造活动提供关键证据。

在阿拉斯加地区，研究团队观测到阿留申弧火山、Wrangell火山场以及Buzzard Creek-Jumbo Dome火山区下方存在显著的强衰减异常，说明深部存在高温或部分熔融区域。Denali火山空缺带下方表现为弱衰减特征，指示该区地壳和上地幔环境偏冷，熔体供给条件有限。这一对比暗示，Denali火山空缺的成因可能与Yakutat板块平俯冲阻挡深部热物质上涌有关。Yakutat板块周缘出现的近环状分布的强衰减异常，则与地表火山区存在空间联系。结合已有各向异性观测和区域构造背景，研究认为：Yakutat板块平板俯冲可能一方面使其上方壳幔环境冷却，抑制了局部火山活动；另一方面又在板片边缘诱发环状地幔流，将热物质输送至周缘火山区。由此可见，同一俯冲板片在不同位置形成截然不同的地表现象，这正是该区动力学过程复杂性的体现。

在卡斯卡迪亚俯冲带，研究团队重点关注流体运移与震颤活动之间的关系。研究表明，卡斯卡迪亚沿岸地壳衰减结构具有清楚的分段特征。北部和南部强衰减区与非火山震颤密集区对应较好，中部Siletzia地体则表现为弱衰减，对应震颤稀疏区。这一分段特征说明：俯冲板片释放出的流体受到地体结构和浅部通道控制，在不同区域形成差异化富集；而流体的停留和迁移，进一步影响了震颤活动和岩浆供给。

在堪察加半岛，研究团队建立了地壳衰减模型揭示出热物质运移的连续过程。东部火山前缘与中部堪察加坳陷之间存在强衰减异常，说明深部热物质和岩浆系统之间具有联通关系。浅部结构会改变热物质的上升路径，使其在不同层位发生滞留和分异，最终形成空间上错位的火山带。这一认识为解释堪察加复杂火山格局提供了新的约束。

从阿拉斯加到卡斯卡迪亚，再到堪察加，结合已有的地质与地球物理观测成果，研究团队利用地震波衰减成像逐渐勾勒出北太平洋俯冲带地下结构的关键图景：俯冲板片进入地球深部之后，会重新分配热量、流体和熔融物质；这些深部过程通过壳幔结构差异表现出来，并最终影响地表的地震、火山和构造变形。地震波衰减成像由此成为连接深部过程与地表现象的重要手段。

未来，团队将继续围绕该区开展多震相衰减成像研究，建立更加完整的三维地壳和上地幔衰减模型，并结合速度结构、各向异性、火山岩浆系统和地球动力学认识，进一步揭示壳幔流变强度的空间变化。这一工作的核心在于厘清俯冲板块的“冷”与“热”如何控制其脱水、熔融与变形的深度和方式——而这些深部过程，正是通过流体活动与应力传递，最终作用于浅表，控制着强震的孕育、火山的形成和大陆的变形。因此，这项研究的最终目标，是系统建立从俯冲过程到地表响应的因果关系链，为理解北太平洋俯冲带的深部机制提供新的地震学约束。