阿留申-阿拉斯加俯冲带位于北美板块和太平洋板块交界处。太平洋板块和雅库塔特微板块在阿拉斯加中南部的复合俯冲，导致了该地区活跃的火山和地震活动（图1）。受前人成像研究的分辨率及精度等因素的制约，目前对俯冲板片形态、深部各向异性结构以及德奈利火山间隙的成因等科学问题的认识还存在争议。由于地震Pn波的射线路径集中在地幔顶部，Pn层析成像可以获得地幔顶部这一重要层面高分辨率的速度和各向异性结构，可以为认识板块俯冲、岩石圈结构和深部热物质流等提供重要的地震学约束。但是，采用等经纬度间隔网格化的成像方法在阿拉斯加这种高纬度地区，反演结果会出现南北向的形态异常。
图1 阿拉斯加地区地形图
在上述背景下，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室的博士研究生贺羽慧与导师吕彦副研究员，基于坐标旋转的新思路（图2）改进了Pn层析成像方法，并利用该地区最新的地震观测数据（图3），获得了阿拉斯加及邻区地幔顶部Pn波速度和各向异性结构（图4）。研究发现，阿留申火山弧下方的低Pn速度被库克湾盆地下方明显的高速结构所分隔，显示俯冲的太平洋板块在库克湾盆地下方存在撕裂。德奈利火山间隙下方的Pn速度略低，支持该火山间隙下方有少量的岩浆产生，但不足以形成地表火山。在夏洛特皇后-费尔韦瑟断裂系统下观测到的Pn各向异性结构显示，该地区地壳和上地幔的变形可能是耦合的。研究还发现，在条带状低速结构存在较强各向异性的情况下，速度与各向异性联合反演的成像结果显著好于各向同性反演，显示了速度与各向异性联合反演的必要性。
图2 坐标旋转示意图，将研究区域从高纬度旋转到赤道，反演之后将结果旋转回实际坐标
图3 研究区域射线分布图
图4 阿拉斯加及邻区地幔顶部Pn波速度和各向异性结构
该研究利用坐标旋转的新思路有效解决了高纬度地区成像结果形态异常的问题，获得的阿拉斯加及邻近地区的地幔顶部速度与各向异性结构为该地区的板块俯冲特征及深部动力学过程研究提供了新的地震学依据。
研究成果发表于国际权威学术期刊JGR-Solid Earth（贺羽慧，吕彦*. Anisotropic Pn tomography of Alaska and adjacent regions [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126: e2021JB022220. DOI: 10.1029/2021JB022220）。该成果受到国家自然科学基金（41874066、41674066）和中国科学院地质与地球物理研究所重点自主部署项目“行星多圈层耦合”（IGGCAS-201904）的资助。