美国地区的P波速度和各向异性结构研究

The lithosphere of North American Craton has been destructed possibly by the subductions from the eastern Pacific slab and Juan de Fuca slab. Therefore, the United States is one of the ideal natural laboratories to investigate the geodynamics of subduction zone and cratonic destruction. The previous studies of seismic tomography and shear-wave splitting have mostly revealed the velocity and azimuthal anisotropy of the upper mantle beneath the United States, but little knowledge about the radial anisotropy. Although recent surface tomography provided information on radial anisotropy there, the resolution is low. In this study, we will present P wave anisotropic tomography of the crust and upper mantle beneath the United States using a large number of high-quality arrival-time data of local and teleseismic events recorded by the USArray. Our results will show 3-D high-resolution models of P wave velocity, azimuthal anisotropy, and radial anisotropy there. We will study the results by combining the velocity and anisotropy structures in the United States to discuss the formation mechanism of lithosphere and the influences to the mantle flow from subduction of oceanic slabs, in comparison with the previous work of tomography, shear-wave splitting measurements, and numerical simulations. We think the work will shed new light on the continental evolution and geodynamics of subduction zones.

东太平洋板块和胡安德富卡板块的俯冲作用有可能导致北美克拉通岩石圈发生破坏。因此，美国地区是研究俯冲带动力学和克拉通破坏的理想区域之一。先前的地震层析成像和剪切波分裂等研究得到了该地区上地幔速度和各向异性结构，但绝大多数为方位各向异性结构，最近的面波成像尽管得到了该地区上地幔的径向各向异性结构，但分辨率较低。方位各向异性能反映介质在水平面上的变形或流动方向，而径向各向异性则反映介质是以水平运动为主或垂向运动为主的重要信息。因此，本项目将利用USArray台站记录到的近震、远震P波到时数据及最新发展的各向异性层析成像方法，去获取高分辨率的美国地区上地幔的P波三维速度、方位及径向各项异性结构，并综合面波成像得到的各向异性结构、SKS剪切波分裂、地球动力学数值模拟等地学结果，探讨该地区的岩石圈成因、大洋板块俯冲对软流圈运动的影响作用，为大陆演化及俯冲带的动力学研究工作提供新的地学证据。

板块构造理论是现代地球科学最重要的理论之一，它是在大陆漂移学说和海底扩张学说的基础上发展起来的。根据板块构造理论，大洋板块在洋中脊形成并发生扩张，最终通过俯冲作用消亡。因此俯冲带精细结构的研究是了解地球内部构造变形及物质循环的重要窗口。我们利用发展的P波各向异性层析成像方法，研究了俯冲板块的各向异性与双层地震带地震活动性之间的联系，并根据俯冲板块的各向异性变化规律，验证了脱水脆裂可能是导致俯冲板块双重地震带发震机制这一假说; 得到了东北日本地区的P波速度(Vp)、S波速度(Vs)、Vp/Vs比和方位及径向各向异性结构，将这些观测联合起来解释东北日本俯冲带的水迁移过程及状态；根据东北日本地区得到的高精度P波方位及径向各向异性结构，结合热动力学数值模拟、岩石学和高温高压实验等提出了一种新的模型用来解释全球俯冲带弧前地幔楔中所观测到的与海沟平行的方位各向异性结构, 即全球俯冲带弧前地幔楔的各向异性主要由于上覆大陆板块的弧前岩石圈地幔的塑性/韧性变形造成的，对于古老的冷俯冲带区域(如东北日本俯冲带等)，其上覆大陆弧前岩石圈地幔的各向异性主要是由橄榄石的晶格优势排列导致的，而对于年轻的热俯冲带区域(如美国的Cascadia俯冲带), 其上覆大陆弧前岩石圈地幔的各向异性则主要是由蛇纹石的晶格优势排列形成的，同时根据各向异性的结构特征，得到了俯冲带地区上下板块接触面的最大不耦合深度（MDD）； 尽管目前积累了大量的地震观测数据，但人工拾取的震相数据仍然极不充分，因此我们完成了利用深度学习自动拾取区域地震的初至P波和S波到时程序（PickNet）的研制，其拾取精度能和人工拾取相当。我们利用PickNet模型得到了大量的高质量走时数据，得到了Cascadia俯冲带地区高精度的P波速度、S波速度和各向异性结构；另外我们也完成了黄石地区和整个美国地区的2000年到2018年期间区域地震波形记录的初至P波和S波到时的高质量拾取，为该地区岩石圈精细结构的研究准备好了大量的高质量走时数据。