北美地幔过渡带上下低速区的精细成像及其对地幔动力学的启示

本研究利用创新的CRISP-RF（Clean Receiver function Imaging with Sparse Radon Filters）技术，通过高分辨率Ps转换波（～0.5 Hz）分析了北美大陆下方地幔过渡带（MTZ）上下方的地震不连续面。研究发现上地幔（290–390 km）和下地幔（800–1400 km）存在显著的低速区（LVDs），且两者空间分布独立，支持脱水熔融或玄武岩富集假说，为地幔化学异质性和水循环机制提供了新约束。

　　

地球内部的地幔过渡带（Mantle Transition Zone, MTZ）一直是地球物理研究的焦点，其边界（410 km和660 km深度）由矿物相变控制，但过渡带之外的广泛地震反射体仍存在争议。这些反射体可能涉及化学异质性、水循环或地幔对流过程，但成因机制尚未统一。北美大陆作为板块构造活跃区，其下方地幔结构的精细成像对理解全球动力学至关重要。

美国耶鲁大学等机构的研究团队在《Tectonophysics》发表论文，通过部署覆盖北美大陆的密集地震台阵，采用新型CRISP-RF技术处理高频Ps转换波数据，首次实现了对MTZ上下低速区（Low-Velocity Zones, LVDs）的全面高分辨率成像。研究发现上地幔LVDs（290–390 km）和下地幔LVDs（峰值940 km，最深1350 km）空间分布独立，仅8%区域同时出现，且与MTZ边界深度无相关性。这一结果更支持脱水熔融模型，即地幔过渡带含水矿物随对流进入上下地幔时因溶解度差异引发部分熔融，形成局部低速层。研究为地幔水循环和长期演化提供了关键证据。

关键技术包括：1）基于北美地震台网（US Transportable Array）的103,000条高质量波形数据；2）CRISP-RF技术通过稀疏Radon变换分离直达转换波与混响干扰；3）三维速度模型（Simmons et al., 2015）校正Ps走时；4）等面积三角形网格（1°分辨率）进行共转换点叠加。

结果部分
3.1 上地幔低速区：CRISP-RF处理后的数据揭示290–390 km深度存在尖锐速度下降（幅度～2%），深度分布连续且与410 km边界无相关性，阿拉斯加和加拿大地区检测率较低。
3.2 下地幔低速区：主要聚集于940 km深度，但在落基山脉下方出现分叉（最深1200 km），阿巴拉契亚地区则呈现300 km厚度的弥散异常。
3.3 空间分布：仅44%数据优质区域能检测LVDs，其中上、下地幔LVDs独立出现的概率分别为48%和44%，成对出现仅占8%（p<10^?10
）。
3.4 与MTZ边界关系：统计显示LVDs深度与410/660 km边界起伏无相关性，排除了单纯热控机制的解释。

讨论与结论
研究否定了玄武岩富集模型的预测（预期660–1000 km应存在空缺），更支持脱水熔融机制：当含水MTZ矿物（瓦兹利石/林伍德石）通过对流进入上下地幔时，因溶解度差异（MTZ:1–3 wt% vs. 上下地幔:<0.2 wt%）释放水分并诱发部分熔融。LVDs的孤立分布可能反映历史上俯冲事件驱动的局部熔融遗迹，而非稳态过程。CRISP-RF技术为揭示地幔小尺度异质性提供了新工具，未来结合Sp-RF和体波数据有望进一步约束全球水循环模型。