数据同化驱动的三维热化学地球动力学模型揭示中国东北长白山火山省下方地幔过渡带高速异常区成因

本研究针对长白山火山省（CVP）下方地幔过渡带（MTZ）内1300公里长的高速异常区成因争议，通过构建三维热化学地球动力学模型结合数据同化技术，重现了新生代太平洋板块俯冲动力学过程。结果表明该异常区由主太平洋板片与孤立俯冲板片合并形成，为东亚停滞板片模拟提供了资源节约型区域建模新范式。

　　

中国东北长白山火山省下方存在一个长度超过1300公里的地幔过渡带高速异常区，这一现象长期以来被归因于太平洋板块的俯冲作用。然而，该异常区东西两侧的速度结构存在显著差异，边界约在120°E经线附近。这种差异引发了学界对异常区真实成因的争议——究竟是太平洋板块单独作用的结果，还是叠加了其他构造过程？为解答这一关键科学问题，中国地震局地球物理研究所的研究团队创新性地采用区域地球动力学模型结合数据同化的方法，在《Journal of Asian Earth Sciences》发表了突破性研究成果。

研究团队运用三维热化学地球动力学模型，将全球模型输出的粘度和温度场作为初始条件，模拟了新生代以来太平洋板块的俯冲过程。关键技术包括：1）基于Boussinesq近似的不可压缩地幔动力学建模；2）整合太平洋板块运动史和海底年龄数据的数据同化技术；3）通过调整660-km不连续面（660-km discontinuity）的克拉珀龙斜率（Clapeyron slope, γ₆₆₀
）和密度跃变（Δρ₆₆₀
）等关键参数优化模型。

模型结果显示：25Ma前太平洋板块受中生代伊佐奈岐板块（Izanagi slab）下沉产生的水平流驱动发生平板俯冲；25-20Ma期间转为显著下插；20Ma后在地幔过渡带内长距离（约1200公里）快速西移。约15Ma前，25Ma前平板俯冲形成的孤立板片与主太平洋板片顶端接触，10Ma前完成合并，这解释了异常区东部的成因。而西部异常区（命名为DCL）则是5Ma前开始与主太平洋板片西端耦合的孤立板片所致。

讨论部分强调，γ₆₆₀
与Δρ₆₆₀
的乘积值增大可显著降低太平洋板块和伊佐奈岐板块的下沉速度，促使二者接触并形成停滞板片。该研究不仅阐明了长白山下方双源复合型高速异常区的形成机制，更开创性地提出以全球模型输出为初始条件的区域建模方法，为东亚停滞板片研究提供了计算资源节约型解决方案。这一成果对理解太平洋板块俯冲动力学及其与东亚大陆的相互作用具有重要理论价值，为火山活动深部过程研究提供了新的动力学框架。