使用3D图像更深入地研究地球表面以下的动态地质过程

得克萨斯大学达拉斯分校的地球科学家使用地震数据和一种计算密集型技术（称为全波形反演）来创建3D图像，显示中美洲和加勒比海下俯冲平板（生坯）和地幔流（黄色箭头）的几何形状。深度500公里。

德克萨斯大学达拉斯分校的地球科学家最近使用了大量的地震数据和超级计算机来生成高分辨率的3D图像，以显示远低于地球表面的动态地质过程。

在2020年4月29日发表于《自然通讯》上的一项研究中，UT达拉斯研究团队描述了它如何使用称为全波形反演（FWI）的计算密集型技术在中美洲和加勒比海俯冲区域中创建地幔流图像。。

“这是第一项使用先进的FWI技术在实际俯冲环境中直接对3D地幔流场进行成像的综合地震研究，”该研究的相应作者，自然科学与数学学院地球科学助理教授朱和军博士说。该研究的合著者是杨继东博士，他是今年五月从达拉斯大学获得地球科学博士学位的人，而地球科学教授罗伯特·斯特恩博士则是该研究的合著者。

在地壳的相对薄层和其核心之间，是地球最厚的部分，地幔。在短时期内，地幔可视为固体岩石，但在数百万年的地质时间尺度上，地幔像粘性流体一样流动。

朱和军博士，自然科学和数学学院地球科学助理教授。

地壳被破碎成称为构造板块的碎片。这些板非常缓慢地穿过并进入地幔，其速度与指甲生长的速度差不多。在被称为俯冲带的区域中，一块板块在另一块板块下方下降进入地幔。

“大洋板块在俯冲带沉入地幔是导致地球构造板块运动的原因，是地球上最重要的过程之一，”朱说。俯冲带也是许多自然灾害的源头，例如地震，火山和海啸。但是，关于地幔流动和下降板周围变形的模式仍然知之甚少。我们的技术所产生的信息对于理解我们的动态星球至关重要。

朱和他的同事使用称为地震各向异性的地球物理测量方法解决了这个问题，该方法测量了地震产生的机械波在地球内部不同方向传播的速度有多快。地震各向异性可以揭示地幔如何围绕俯冲板运动。能源行业也使用类似的技术来定位石油和天然气资源。

该动画显示了中美洲和加勒比海下直至1000公里深度的俯冲板（生坯）几何形状的3D表示。

朱说：“当人们将水浸入水中时，水会分离，而分离又会影响水在游泳者周围的运动方式。”“与洋洋板块相似：当它们进入热的地幔中时，这种作用会导致地幔分离并在板块周围流动。”

研究团队使用全美国网格中约4,500个地震台站在180年地震中记录的10年周期内的高保真度数据创建了图像。FWI算法的数值计算是在位于以下位置的高性能计算集群上进行的美国国家科学基金会（NSF）支持的位于德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心，以及位于UT达拉斯的超级计算机上。

“以前，我们无法'看到'地球表面，但是通过使用这项技术和非常出色的数据集，我们能够描绘出各种地震现象的3D分布，并判断它们发生在什么深度，”朱说。。

图像证实了研究区域中的板块不是很大的实心块，而是被分成了较小的板块。

他说：“这看起来与教科书中有关构造板块的描述不同，构造板块是一块固体板块降到另一块固体板块之下。”“一些研究人员假设发生了这种碎片化现象，我们的成像和建模提供了支持该观点的证据。”

Zhu的3D模型显示了围绕多个下降碎片以及平板之间的缝隙的复杂地幔流型。他说，这种块状，碎片状的碎片在世界各地都可以看到。

例如，在美国西北部，胡安·德·富卡板块也被分成两块，然后下降到卡斯卡迪亚俯冲带的北美板块下方，该地区在几个世纪以来发生了强烈地震。

“我们知道，大多数地震发生在板与地幔之间的界面。如果这些碎片之间有缝隙，即所谓的窗口区域，那您就不会指望那里发生地震。”“如果您观察卡斯卡迪亚俯冲带沿线的地震分布，就会发现您没有地震的跨度。那可能是俯冲洋板块中存在间隙的区域。

“我们研究的中美洲海沟具有自己独特的动态特性。将来，我们计划将注意力转移到其他俯冲带，包括澳大利亚和太平洋板块区域的克马德克-汤加俯冲带。”

参考：“由俯冲引起的地幔流动在中美洲以下的地震证据”，朱合军，罗伯特·斯特恩和杨继东，2020年4月29日，自然通讯。
10.1038 / s41467-020-15492-6

该研究是由NSF地球科学处授予朱的经费资助的。