基于概率性反演与接收函数谐波分析的新英格兰南部岩石圈各向异性结构研究

《Geophysical Journal International》：Probabilistic Inversion of Receiver Functions for Layered Seismic Anisotropy and Application to the Anisotropic Lithosphere of Southern New England

本刊推荐：为解析地壳与上地幔的层状各向异性结构，研究人员开发了一种基于Ps接收函数(RFs)谐波分解的概率性反演新方法。该方法结合多台站相干性加权与多相位叠加技术，通过马尔可夫链蒙特卡洛(McMC)框架反演谐波模式，有效压制噪声并量化不确定性。在合成数据与SEISConn实测数据上的应用揭示了康涅狄格州西部浅层各向异性、哈特福德盆地莫霍面抬升及西倾岩石圈地幔层等特征，为揭示构造历史与岩石圈变形提供了新工具。

　　

古老大陆地壳如同地球的“地质档案”，记录了多期构造运动、岩浆侵入和变形历史的痕迹。然而，如何揭示深部岩石的变形特征和构造历史一直是地震学研究的难点。地震波速异常能反映结构变化，但地震各向异性（Seismic Anisotropy）对变形过程更为敏感，能直接指示矿物晶格优选取向（LPO）或裂缝/叶理等结构的定向排列（SPO）。传统剪切波分裂等方法虽能探测各向异性，但属于路径积分效应，难以分辨深部结构的细节。

接收函数（Receiver Functions, RFs）技术通过分析远震P波在速度间断面上产生的Ps转换波及其多次波，成为刻画地壳-地幔结构的利器。在各向异性介质中，转换波的振幅和走时随反方位角呈现谐波变化，其模式蕴含了各向异性层的对称轴取向、倾角等关键信息。然而，复杂的波场干涉和噪声干扰使得传统方法难以准确解析多层各向异性结构。为此，Frederik Link等人开发了一种概率性反演新方法，旨在通过谐波分解与多相位联合反演，揭示密集台阵下方的层状各向异性细节。该研究发表于《Geophysical Journal International》，以美国康涅狄格州南部的SEISConn密集台阵为例，展示了方法的有效性。

研究团队创新性地将谐波分解技术与多相位叠加策略相结合，构建了以马尔可夫链蒙特卡洛（McMC）为核心的反演流程。关键技术包括：（1）基于Park & Levin（2016）方法的接收函数谐波分解，提取恒定项、一阶和二阶谐波分量；（2）模型空间残差加权（MRW）与台站间相干性加权，抑制噪声并增强结构信号；（3）多相位（如Ps、PpPs、PsPs等）叠加约束层厚度与V_p/V_s比值的trade-off关系；（4）基于射线理论的正演计算（采用raysum算法改进版）生成合成接收函数；（5）通过代价函数最小化（含各向异性惩罚项）反演层厚度、S波速度、各向异性强度、对称轴取向（方位角φ、倾伏角θ）及界面产状（走向Γ、倾角Λ）。合成数据测试验证了方法对复杂各向异性模型（如倾斜界面与俯冲对称轴组合）的恢复能力。

2.1 各向异性与接收函数中的复杂结构

接收函数对各向异性层或倾斜界面的响应表现为径向与横向分量的谐波变化。研究通过射线追踪模拟了六方对称各向异性介质中Ps转换波的分裂效应（图1），指出单一各向异性层可产生多达20个含S波leg的相位，其走时与振幅的反方位角变化特征可通过谐波函数（如cosθ、sin2θ等）量化。

2.2 接收函数方位角谐波的随机反演

研究设计了一个四层合成模型（图2），包含东倾10°的界面及第二、四层的俯冲慢轴各向异性。通过添加实际噪声数据，对比了未加权与加权后的谐波分量（图4），结果显示MRW与相干性加权显著压制了散射噪声，但可能弱化部分有效信号（如多次波）。

3. SEISConn密集台阵应用

将方法应用于横跨新英格兰南部的SEISConn台阵（15个台站），反演获得了沿剖面的层状各向异性结构（图12）。结果显示：①浅层存在西倾或西西南倾伏的快轴各向异性（可能与现今应力场相关）；②哈特福德盆地下方莫霍面变浅，且下地壳存在强各向异性；③岩石圈地幔内识别出西倾低速层，可能为化石剪切带。反演结果与前期研究（Luo et al., 2023）的构造解释一致，但修正了浅部结构的认识——原解释为倾斜界面，实为俯冲对称轴各向异性。

研究通过概率性反演接收函数谐波分量的新方法，实现了对层状各向异性结构的高分辨率成像。方法创新点在于联合谐波拟合与多相位叠加，结合加权策略与McMC反演，显著提升了对复杂构造（如倾斜界面、俯冲对称轴）的分辨能力。在新英格兰南部的应用揭示了浅部各向异性与现今应力场的关联、盆地下方莫霍面形态变化及岩石圈地幔的变形痕迹，为理解大陆地壳多期构造事件提供了关键约束。该方法适用于密集台阵数据，有望在更多构造复杂区推广使用，深化对岩石圈演化动力学过程的认识。