大洋俯冲带的地幔流动和地震波各向异性的数值模拟

Seismic anisotropy is one of the most important observations in geodynamics, which is widely used to make inferences about the nature of mantle flow as well as large-scale lithospheric deformation. Although seismic anisotropy is observed widely in Pacific subduction zones, no truly coherent global pattern has been recognized so far. The observed fast directions of shear wave polarization can be summarized into three groups: trench-parallel, trench-normal, and trench-oblique. Several models have been proposed for explaining the variable fast directions of seismic anisotropy in subduction zones. The most generally acceptable model attributes the formation of anisotropy to the subduction-induced 3-D mantle flow field, which will further results in variable Lattice Preferred Orientation (LPO) of the upper mantle minerals. In this project, we are going to use 3-D numerical modeling method to investigate systematically the mantle deformation and seismic anisotropy in the oceanic subduction zones. The first step is to develop relevant algarithms and codes to calculate finite strain, LPO and SKS splitting, which will be incorporated into our main code G3BEM. Secondly, we will conduct series of numerical models to study the finite strain and SKS splitting in variable model configurations, e.g. variable width of subducting plate. The study will provide significant insights into the patterns and mechanisms of seismic anisotropy in Pacific subduction zones. Finally, numerical simulations will be conducted for a specific Sangihe subduction zone in Southeast Asia, which is characterized by two-sided subduction on both the 'head' and 'tail' of an oceanic plate. It will contribute to better understanding of seismic anisotropy in complex tectonic background.

地震波各向异性广泛应用于大尺度地幔流动和岩石圈变形的研究，但其成因机制尚存在争议。大洋俯冲带中剪切波分裂的快波方向既有平行于海沟，又有垂直或斜交于海沟。前人提出了多种机制来解释这种复杂的各向异性特征，其中俯冲带中复杂的三维地幔流动导致上地幔各向异性矿物产生不同的晶格优选定向(LPO)是比较普遍认可的观点。本项目拟以此为切入点，对大洋俯冲带的地幔变形和地震波各向异性进行系统的动力学数值模拟研究，主要内容包括：1）基于自主开发的三维边界元软件G3BEM，继续开发计算有限应变、地幔矿物LPO以及SKS剪切波分裂的相关嵌入式函数模块；2）通过模拟计算，研究同一俯冲带不同位置以及不同宽度俯冲带的有限应变和SKS分裂特征，并与环太平洋俯冲带的观测进行对比；3）针对东南亚Sangihe俯冲带，设计俯冲板块首-尾双向俯冲模型，探讨复杂构造背景的地震波各向异性特征。

本项目围绕大洋俯冲带的动力学过程而展开，基于自主开发的数值模拟软件，建立了俯冲带地幔流动和地震波各向异性的定量化数值模型。我们采用不同俯冲板块的几何学特征进行了系统的数值模拟，探讨了模型中地幔变形、地幔矿物晶格优选定向以及剪切波分裂等的特征和机制。模拟结果揭示：（1）地幔变形过程中的有限应变椭球<FSE>演化与橄榄石晶格的优选定向<LPO>之间存在非常好的对应关系，FSE长轴对应LPO的a轴，FSE短轴对应LPO的b轴，但是二者与地幔流动的速度场并不一致。（2）在地幔楔的中央位置处，地幔变形倾向于产生垂直于海沟的快波偏振方向，并且各向异性的延迟时间与大洋俯冲板块的宽度呈负相关关系。在俯冲板块的侧向边缘，各向异性的延迟时间与俯冲板块宽度关系不大。(3)在板下地幔中存在两个不同的变形区域，上部主要受控于俯冲板块水平运动所产生的简单剪切，从而容易产生垂直于海沟的快波偏振方向，而下部主要受控于海沟后撤所引起的纯剪切，相反容易产生平行海沟的快波方向。因此板下地幔的各向异性特征很大程度上受控于这两种不同变形机制的竞争关系。（4）板下地幔的地震波各向异性特征依赖于一个俯冲运动学的参数，d = Xp∕Xt，这里Xp和Xt分别指示大洋俯冲过程中板块前进的距离和海沟后撤的距离。如果d<1，那么各向异性的快波方向将平行于海沟；相反，如果d>1，那么将主要产生垂直于海沟的快波方向。（5）针对东南亚的Sangihe俯冲带，我们建立相对复杂的双向俯冲过程的数值模型，即一个大洋板块‘首尾’同时进行俯冲，由此它们产生的地幔流场相互干扰。系统的数值模拟揭示了该复杂构造背景下的地震波各向异性特征，并与Sangihe俯冲带的观测数据进行对比和解译。（6）我们还对研究工作进行拓展，探讨了大洋俯冲带流体-熔体活动的定量化模型，并揭示了流体-熔体活动对俯冲隧道物质运移和上覆岩石圈变形的控制作用。在本项目的支持下发表了6篇科研论文，其中SCI论文5篇；同时项目的研究成果得到了国际同行的认可和应用。