科學家揭密東加地函超級通道

一項突破性的研究，首次以3D視角深入解析東加隱沒帶的內部運作機制，這裡擁有地球上移動速度最快的板塊，正不斷重塑地殼結構。研究團隊運用創新的地震技術，描繪出深層地函的流動路徑，揭示了熔岩如何與下沉的板塊相互作用，進而影響火山活動與板塊運動。

這項刊登於中國地質學頂尖期刊《地球科學》的研究，由中國海洋大學與日本東北大學的學者共同完成。他們利用先進的地震技術，建立了詳細的3D模型，涵蓋地函流動、板塊與地函柱的互動作用，以及弧後盆地的活動。這些發現有助於解決長期以來關於這些深層地質過程運作方式的爭議。

研究團隊分析了來自1,088次遠震事件的150,219筆振幅與相位資料，這些資料由110個地震站（包括陸地與海底感測器）在勞盆地及周邊區域記錄。透過使用基本模式的瑞利波（週期20至150秒），他們應用方位各向異性斷層掃描技術，檢測地函岩石中礦物排列導致的地震波速方向性變化。

這種方法讓他們得以建構出延伸至地表下300公里的高解析度3D速度模型。嚴格的驗證測試證實了模型的準確性，水平解析度約150公里，垂直解析度在150公里以上為50至75公里，確保了可靠的空間細節。

關鍵發現顯示，薩摩亞地函柱物質向南流入勞盆地的範圍僅限於50公里以內的淺層，這是由於太平洋板塊不對稱後退所驅動。這種淺層流動與盆地北部火山區域的地球化學證據相符，顯示出地函柱的影響。

研究進一步識別出不同的地函流動模式：快速擴張的北部勞盆地呈現東西向運動，而擴張較慢的南部則為南北向流動，這反映了對空間變化的板塊後退速率的被動調整。

在隱沒板塊內部，淺層（小於150公里）的近海溝平行快速剪下波方向（南北向）與彎曲誘發的正斷層相關，而更深區域則顯示出區域性的海溝垂直各向異性，暗示應力重新定向。此外，外隆軟流圈中的海溝平行地函流動（可能受到板塊後退壓縮）挑戰了傳統的隱沒驅動迴圈模型。

東加隱沒帶以其全球最快的板塊聚合速度（約每年24公分）和弧後擴張速率著稱，成為研究板塊與地函相互作用的天然實驗室。這項研究整合了先前各向同性和各向異性模型之間的差異，首次建立了將地函動力學與地表構造相聯絡的統一3D框架。

結合方位變化的表面波資料與多尺度斷層掃描，代表著方法論上的重大躍進，將地球物理觀測與地球化學證據相結合，闡明瞭地函流動、板塊與地函柱互動作用，以及弧後盆地形成的機制。這些洞見不僅深化了對隱沒帶過程的理解，也為研究其他複雜系統（如馬裡亞納和伊豆-小笠原弧）提供了範本，這些區域同樣存在地函柱與板塊動力學的互動作用。

這項研究凸顯了高解析度地震成像在地球科學中的變革潛力。研究結果強調了國際合作在應對地球動力學挑戰中的重要性，為災害減緩提供了可操作的見解，並推動了行星尺度過程的預測模型發展。透過解碼塑造地球內部的隱藏力量，這項工作展示了尖端地震學如何照亮板塊與地函對流之間複雜的互動——這是現代地球科學的基石。

參考文獻：Zhao, D., Liu, X., & Zhao, D. (2025). Shear-wave Velocity and Azimuthal Anisotropy in the Upper Mantle of the Tonga Subduction Zone. Geoscience. DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2024.101

資金來源：中國國家自然科學基金會、日本學術振興會。