阿留申-阿拉斯加俯衝帶位於北美板塊和太平洋板塊交界處。太平洋板塊和雅庫塔特微板塊在阿拉斯加中南部的複合俯衝，導致了該地區活躍的火山和地震活動（圖1）。受前人成像研究的解析度及精度等因素的制約，目前對俯衝板片形態、深部各向異性結構以及德奈利火山間隙的成因等科學問題的認識還存在爭議。由於地震Pn波的射線路徑集中在地幔頂部，Pn層析成像可以獲得地幔頂部這一重要層面高解析度的速度和各向異性結構，可以為認識板塊俯衝、岩石圈結構和深部熱物質流等提供重要的地震學約束。但是，採用等經緯度間隔網格化的成像方法在阿拉斯加這種高緯度地區，反演結果會出現南北向的形態異常。
圖1 阿拉斯加地區地形圖
在上述背景下，中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的博士研究生賀羽慧與導師呂彥副研究員，基於座標旋轉的新思路（圖2）改進了Pn層析成像方法，並利用該地區最新的地震觀測資料（圖3），獲得了阿拉斯加及鄰區地幔頂部Pn波速度和各向異性結構（圖4）。研究發現，阿留申火山弧下方的低Pn速度被庫克灣盆地下方明顯的高速結構所分隔，顯示俯衝的太平洋板塊在庫克灣盆地下方存在撕裂。德奈利火山間隙下方的Pn速度略低，支援該火山間隙下方有少量的岩漿產生，但不足以形成地表火山。在夏洛特皇后-費爾韋瑟斷裂系統下觀測到的Pn各向異性結構顯示，該地區地殼和上地幔的變形可能是耦合的。研究還發現，在條帶狀低速結構存在較強各向異性的情況下，速度與各向異性聯合反演的成像結果顯著好於各向同性反演，顯示了速度與各向異性聯合反演的必要性。
圖2 座標旋轉示意圖，將研究區域從高緯度旋轉到赤道，反演之後將結果旋轉回實際座標
圖3 研究區域射線分佈圖
圖4 阿拉斯加及鄰區地幔頂部Pn波速度和各向異性結構
該研究利用座標旋轉的新思路有效解決了高緯度地區成像結果形態異常的問題，獲得的阿拉斯加及鄰近地區的地幔頂部速度與各向異性結構為該地區的板塊俯衝特徵及深部動力學過程研究提供了新的地震學依據。
研究成果發表於國際權威學術期刊JGR-Solid Earth（賀羽慧，呂彥*. Anisotropic Pn tomography of Alaska and adjacent regions [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126: e2021JB022220. DOI: 10.1029/2021JB022220）。該成果受到國家自然科學基金（41874066、41674066）和中國科學院地質與地球物理研究所重點自主部署專案“行星多圈層耦合”（IGGCAS-201904）的資助。
編輯：萬鵬
美編：陳菲菲
