美国大陆地壳下的径向各向异性：基于表面波相位速度的研究

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Radial Anisotropy Beneath the Continental U.S. From Surface Wave Phase Velocities

美国大陆最高分辨率Love波和Rayleigh波群速度数据集的联合反演揭示了地壳和上地幔的径向各向异性特征。结果显示西部和东部地壳存在显著各向异性，与区域伸展和造山作用相关，中央地壳各向同性。上地幔普遍存在正各向异性，科罗拉多高原除外，可能与熔融岩层和地幔流动有关。

　　在这项研究中，科学家们致力于构建当前最高分辨率的美国大陆地区Love波相速度数据集，并结合了环境噪声和远震事件的观测结果，覆盖了10至120秒的周期范围。他们通过联合反演Love波和Rayleigh波相速度数据集，得到了地壳和地幔中各向同性剪切速度及径向各向异性（radial anisotropy）的三维模型。为了严格探讨径向各向异性的重要性，研究团队以Shen和Ritzwoller（2016）的研究结果作为初始模型，该模型基于Rayleigh波数据构建。研究发现，初始模型在地壳中始终低估了观测到的Love波相速度，但能够很好地拟合Rayleigh波相速度，这表明为了同时解释两组数据，必须引入径向各向异性。最终的反演模型能够很好地拟合Love波和Rayleigh波的数据集。研究进一步指出，美国西部和东部地壳具有显著的各向异性，其中正各向异性与新生代和中生代的拉伸区域相关，而负各向异性则与造山作用有关。中部美国地壳则主要为各向同性。此外，研究还发现美国上地幔存在正各向异性，唯独在科罗拉多高原地区例外，这可能与多种地质动力过程相关，包括地幔在软流圈中的水平流动和地壳中熔岩 sill 的存在。

在大陆地壳中，各向异性通常与构造变形有关，而其表现形式在不同地区存在差异。例如，在美国西部和东部，研究发现新生代的拉伸活动与正各向异性密切相关，而中生代的造山作用则与负各向异性有关。这些各向异性现象在地壳中的分布为研究提供了重要的线索，有助于理解地壳变形的历史和机制。然而，对于地幔中的各向异性，目前尚无统一的共识。部分研究认为地幔中的各向异性主要来源于地幔流，而其他研究则倾向于认为是由于地壳中长期保存的变形特征所导致。这些观点之间的差异可能与不同研究方法的精度和数据分辨率有关。

为了克服这些挑战，研究采用了一种基于相速度图的反演方法，而不是传统的全波形反演（full-waveform inversion）。这种方法能够更有效地识别地壳和上地幔中的各向异性特征，并将这些特征与观测到的相速度扰动联系起来。此外，这种方法避免了因忽略地壳各向异性而导致的对地幔剪切速度和各向异性的误判。研究还特别指出，这种方法能够为未来对地幔剪切速度的精确估计提供有力支持，因为不考虑地壳各向异性可能导致对地幔结构的误解。

在数据收集方面，研究团队整合了来自USArray项目（IRIS Transportable Array）的高分辨率Love波和Rayleigh波相速度图，涵盖了地壳和上地幔的敏感深度范围。其中，Rayleigh波相速度数据覆盖了10至80秒的周期，而Love波相速度数据则覆盖了10至120秒的周期。通过使用MINEOS软件计算局部正常模式，研究团队能够将这些相速度数据转换为相对于初始模型的扰动，从而为反演提供可靠的基础。为了确保数据质量，研究团队对不同来源的相速度数据进行了统一处理，并对不符合平滑性要求的数据点进行了掩码处理。

在反演方法上，研究团队采用了一种基于最小二乘法的反演策略，同时反演Love波和Rayleigh波相速度扰动，以求解地壳和上地幔中的各向异性结构。这种方法通过构建一个包含各向同性和各向异性剪切速度扰动的模型参数空间，将观测数据与理论模型进行比较。为了稳定反演过程并获得合理的物理模型，研究团队对模型进行了垂直平滑处理，并对模型参数进行了归一化处理，以减少模型参数的不确定性。研究还指出，归一化约束对数据拟合和模型特征的影响比平滑约束更为显著。

研究结果表明，通过反演，能够得到地壳和上地幔中具有较高分辨率的各向异性分布。具体而言，美国西部和东部地壳中存在显著的正各向异性，而中部地壳则主要为各向同性。地幔中的各向异性在大部分区域都存在，但唯独在科罗拉多高原地区例外。这些各向异性特征与多种地质动力过程有关，包括地幔流、熔岩特征以及构造活动的相互作用。研究还指出，地壳中的各向异性可以反映拉伸和压缩的历史，而地幔中的各向异性则可能与熔岩流、地壳与地幔的相互作用有关。

此外，研究团队还通过聚类分析探讨了不同地区的各向异性分布特征。结果显示，大部分区域的各向异性在50至75公里深度范围内达到最大值，而其他区域的各向异性则表现出不同的深度特征。例如，美国西部地壳中的各向异性主要集中在盆地和山脉地区，而东部地壳中的各向异性则与大西洋沿岸的拉伸活动有关。研究还发现，科罗拉多高原内部的各向异性较弱，而其外围则表现出较强的各向异性，这可能与高原边缘的火山活动有关。

在地幔各向异性方面，研究团队通过分析不同研究结果，发现尽管存在较多关于地幔各向异性的研究，但不同模型之间在波长、幅度甚至符号上存在显著差异。这表明对地幔各向异性的理解仍需进一步深化。然而，部分研究结果之间仍存在一定的相似性，例如在科罗拉多高原外围和大峡谷地区，各向异性表现出一致的分布模式。研究还指出，这些各向异性特征可能与地幔流和熔岩活动有关，而地壳中的各向异性则可能与构造变形的历史和当前的应力场有关。

最后，研究团队强调，构建高分辨率的各向异性模型对于理解大陆地壳和地幔的结构演化具有重要意义。通过将观测到的相速度扰动与理论模型进行比较，研究能够揭示各向异性与构造活动之间的关系，并为未来研究提供重要的参考。研究还指出，各向异性模型可以作为进一步研究的起点，帮助减少因对各向异性估计不准确而引入的误差。总体而言，这项研究不仅为大陆地壳和地幔的各向异性提供了新的视角，还为理解地质动力过程提供了重要的证据。