布里奇曼石组构诱导的中地幔地震不连续面全波形模拟：对俯冲带下方双底面反射的启示

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Full Waveform Modeling of Bridgmanite Fabric-Induced Seismic Discontinuities in the Mid-Mantle: Implications for Double Underside Reflections Beneath Subduction Zones

　　

摘要 中地幔（660–2,000 km）地震观测通常被归因于热化学非均质性或矿物相变，然而许多观测特征仍难以仅凭这些机制加以解释。已有研究表明，布里奇曼石随深度变化的变形行为会在板片周围产生应变诱导的地震不连续面，其深度与上述观测大致吻合。然而，该信号在数据中的表现形式在很大程度上仍属未知。本研究通过结合地球动力学与地幔组构模拟，探讨俯冲带下方由布里奇曼石（100）[001]/（010）[100]滑移系转换所产生的各向异性不连续面的可探测性。研究人员随后采用全波形模拟，并运用阵列地震学方法处理合成数据。结果表明，该各向异性不连续面可被探测，且能与板片–地幔界面反射清晰区分。对于水平展平的板片形态，与各向异性不连续面相关的反射体在所有传播方位角上均呈现正极性，这意味着板片下方形成的各向异性层表现为地震波慢速区域。研究人员进一步利用阿拉斯加–阿留申群岛和中美洲下方的双反射实例，评估该机制在真实数据中的适用性。在这两个案例中，与较深反射体对应的S1000相均呈现正极性，这一特征难以用热化学层或矿物相变加以解释，但与各向异性不连续面的解释相吻合。这些结果表明，地幔变形在中地幔结构的形成中发挥着重要作用——此类结构在其边界处可能不表现出速度与密度差异，却仍能产生可观测的反射信号。

中地幔各向异性不连续面的地震可探测性：基于布里奇曼石组构转变的全波形模拟研究解读

一、研究背景与科学问题

中地幔（660–2,000 km深度）是地球内部结构研究的重要窗口。俯冲带下方的中地幔非均质性跨越多种空间尺度，可产生多种地震不连续面。小尺度（<10 km）特征通常被解释为热化学异常，包括保存于地幔中的俯冲洋壳碎片；区域尺度（10–100 km）上，俯冲岩石圈本身可引入显著的成分与温度横向变化；大尺度（>100 km）边界则可能源于压力依赖的矿物学转变，如富MORB地幔中majorite石榴石向布里奇曼石的转变。SS前驱波（SS precursors）是探测地幔不连续面的有力工具，其宽频含量使其对多种尺度结构敏感。然而，观测到的中地幔反射体阻抗对比与深度分布并不总是与矿物学边界的预期一致。

尤其值得注意的是，部分俯冲带下方观测到1,000 km深度以下的双反射体：较浅的反射体（约1,000 km深度）可能与板片–地幔界面相关，而较深的反射体（>1,200 km）则暗示更大空间尺度的横向连贯性。此类观测难以用传统的热化学异常或相变机制完全解释。布里奇曼石作为下地幔含量最丰富的矿物，其变形行为随深度变化：在较浅下地幔条件下，应变主要通过（100）[001]滑移系协调；当压力超过约50 GPa（对应约1,270 km深度）时，主导滑移系转变为（010）[100]。这种深度依赖的组构转变可能产生应变诱导的各向异性地震不连续面，为解释深部中地幔反射体提供了新的物理机制。然而，该不连续面的地震信号特征及其与板片–地幔界面反射的区分方式尚不清楚，亟需系统研究。

二、研究内容与主要结论

本研究旨在探讨俯冲带下方由布里奇曼石（100）[001]/（010）[100]滑移转换所产生的各向异性不连续面的地震可探测性。研究人员将实验观测的布里奇曼石变形数据整合到真实的地幔对流模型中，通过全波形模拟和阵列地震学方法系统评估该不连续面的地震信号特征。研究采用自由俯冲的3D地球动力学模拟（使用ASPECT软件），结合粘塑性自洽（VPSC）方法计算布里奇曼石的压力依赖组构演化，并利用AxiSEM3D谱元法求解器进行全波形模拟。研究结果表明，该各向异性不连续面可被探测，并能与板片–地幔界面反射清晰区分。对于水平展平的板片形态，各向异性不连续面反射体在所有传播方位角上均呈现正极性，表明板片下方形成的各向异性层表现为地震波慢速区域。通过分析阿拉斯加–阿留申群岛和中美洲下方的双反射实例，研究发现较深反射体对应的S¹⁰⁰⁰相均呈现正极性，这一特征难以用热化学层或矿物相变解释，但与各向异性不连续面的解释一致。

三、关键技术方法

研究人员采用多步骤数值模拟框架：首先使用ASPECT进行3D自由俯冲地球动力学模拟，模型尺寸为6,000×2,000×3,000 km，采用自适应网格细化至约11.7 km分辨率；随后将VPSC方法耦合至地球动力学模型，计算布里奇曼石单相组构的压力依赖演化，每个聚集体包含1,000个随机取向晶粒；最后利用AxiSEM3D谱元法求解器进行全波形模拟，最小可分辨周期为4 s，傅里叶展开阶数为400。合成地震记录采用vespa（速度谱分析）方法处理，结合四次根叠加以增强弱前驱信号的可探测性。

四、研究结果

4.1 简单剪切变形模型的初步可探测性验证

研究人员首先在PREM背景模型中嵌入两个各300 km厚的各向异性层（900–1,200 km深度为（100）[001]布里奇曼石，1,200–1,500 km深度为（010）[100]布里奇曼石），仅提取弹性张量的各向异性分量叠加于PREM之上。四次根vespagram显示，在Sdiff与SS时间窗内可清晰识别来自各向异性不连续面的底面反射S¹²⁰⁰信号，证明在组构发育足够强的条件下，各向异性不连续面可被阵列方法探测。

4.2 俯冲带模型的各向异性不连续面特征

基于ASPECT模拟的俯冲板片几何形态，研究人员构建了包含压力依赖布里奇曼石组构的3D各向异性模型。强各向异性集中在板片周围，（100）[001]/（010）[100]滑移转换表现为变形诱导的各向异性不连续面，其地形受板片深度延伸控制，横向范围受板片水平展平程度控制。研究人员在约25 km窄深度区间内预设无组构布里奇曼石以模拟滑移转换区域，从而在保持整体各向异性模式的同时施加弹性性质的突然对比。

4.3 全波形模拟与阵列分析

对于纯各向异性地幔模型，vespagram显示在Sdiff后约100 s出现一个到达，对应约1,470 km深度的反射体（S¹⁴⁷⁰），源于（100）[001]/（010）[100]组构转换处的底面反射。第二个到达对应约1,290 km深度的较浅反射体（S¹²⁹⁰），可能对应近各向同性板片与下伏各向异性地幔之间的各向异性边界。自举重采样分析表明，在1,000次重采样后，两个反射体的到达均能稳健恢复，这归因于板片诱导流动产生的CPO模式在超过S¹²⁰⁰有效采样面积的区域内空间均匀。

4.4 反射体极性与方位角依赖性

S¹⁴⁷⁰与SS具有相同极性（正极性），对应反射层ξ>1的各向异性不连续面；S¹²⁹⁰相对SS呈现反极性（负极性），对应反射层近似各向同性（ξ≈1）的界面。反射系数计算表明，各向异性不连续面的反射系数在所有方位角上保持正值，在平行倾角和沿走向方向达到最大振幅，在中间方位角处最小。

五、讨论与结论

研究人员通过快速傅里叶均匀化（FFH）方法验证了模型与层析成像观测的一致性：当最小周期从11 s增至36 s时，各向异性不连续面被逐渐平滑，产生与全球各向异性层析模型（如SGlobe-Rani）可比较的结构。频率依赖性分析表明，S¹⁴⁷⁰的最大振幅出现在较短周期段（上限截止周期<约21>

研究结论指出，地幔变形在中地幔结构的形成中发挥重要作用。此类结构在其边界处可能不表现出速度与密度对比，却能产生可观测的反射信号。阿拉斯加–阿留申群岛和中美洲下方的双反射观测中，较深反射体呈现的正极性难以用热化学层或矿物相变解释，但与各向异性不连续面的解释相吻合。该研究作为概念验证，系统刻画了各向异性不连续面的地震信号特征，并评估了阵列地震学方法探测此类特征的可行性，为理解中地幔反射体的性质提供了新的物理机制视角。