Nature Geoscience：下地幔广泛存在各向异性

来源：中科院地质地球所

【前沿报道】Nature Geoscience：

下地幔广泛存在各向异性

构造活动可以导致地球深部物质产生各向异性，因此深部各向异性特征是重建深部动力过程的重要依据。关于地幔的各向异性（见Savage, 1999；Karato et al., 2008等综述），存在以下传统观点:

（1）上地幔存在较强的各向异性，其主要成因是上地幔矿物（主要是橄榄石）在一定应变条件下产生晶格优势排列（lattice-preferred orientation，LPO）。对于上地幔而言，起主导作用的两种变形机制，分别是扩散蠕变（diffusion creep）和位错蠕变（dislocation creep）。扩散蠕变是在晶格边界之间或穿过晶格的一种固态扩散，它并不产生晶格优势方向，因此矿物晶体变形后依然是各向同性的。位错蠕变则是晶格内的结晶错动，它能产生晶格优势方向因此导致矿物具有各向异性，从而能示踪地幔的流动方向。

（2）下地幔是各向同性的。尽管在物质成分上相似，下地幔与上地幔具有截然不同的物理性质。下地幔的变形机制通常为超塑性流动（superplastic flow；Karato et al., 1995）或纯攀移蠕变（pure climb creep；Boioli et al., 2017），这两种机制都不产生各向异性。

这意味着，因为下地幔是各向同性的，所以下地幔不能记录构造活动的变形信息。然而近期Ferreira et al.（2019）发表在Nature Geoscience上的论文对此提出了质疑。

基于地震学（SGLOBE-rani模型；Chang et al., 2015）和地球动力学数值模拟综合研究，Ferreira等提出板块俯冲导致下地幔产生各向异性的证据。他们发现沿着大洋板块俯冲带，在下地幔顶部深度范围（700-1300 km），统计上表现为水平方向横波速度明显高于垂直方向速度，表明在下地幔顶部广泛存在明显的各向异性特征（图1）。通过簇类分析和三维动力学数值模拟，他们进一步认为：

（1）各向异性介质可能与横向停滞在下地幔顶部俯冲大洋板片有关；

（2）各向异性产生的机制是俯冲板片横向运动导致板片周缘接触的下地幔物质（布里奇曼石）发生位错蠕变，进而在宏观上产生水平方向上的晶格优势排列。

图1  沿着太平洋板块俯冲方向不同剖面下方VSH、VSV平均速度差异。（左）剖面位置；（右）不同剖面下方平均：>1表示横波速度水平方向高于垂直方向；<1则相反（Ferreira et al, 2019）　　  

该项研究对下地幔物质变形机制提出了新的证据，因此为利用各向异性测量示踪地幔流动模式，构建下地幔动力过程提供了全新工具。此外，由于传统测横波分裂观测假定下地幔各向异性强度可以忽略，我们在解释俯冲带地区获得的各向异性特征时必须要考虑下地幔的贡献，而不能单纯地归结为上地幔各向异性。

附录：方法简介

　　测量地球深部物质各向异性的最有效途径目前还是地震波方法。测量地幔各向异性常规的方法包括地震波横波分裂测量和各向异性层析成像两种。Ferreira et al.(2019)论文基于的是面波各向异性层析成像方法结果（Chang et al., 2015）。 

（1）地震波横波分裂测量：地震波横波在各向异性介质中传播时，分解为极化方向相互正交的快、慢两个分量，这种现象类似于光波传播中的双折射现象（optical birefringence）。通过测量快慢分量的方向和时间延迟，可以获得LPO方向及强度信息。其优点在于能够准确判断射线路径上的各向异性，具有较高的横向分辨率和径向方位约束，其缺点在于深度分辨率较低。　　

（2）各向异性层析成像：在常规的层析成像反演过程中，增加了各向异性参数自由度。根据使用观测数据的不同，又可分为体波和面波各向异性层析成像方法。Chang et al.(2015)所使用的面波各向异性层析成像方法能获得不同深度垂直方向和径向方向的速度差异，用表示，其中VSH为水平方向横波速度，VSV为垂直方向横波速度。其优点在于具有较好的深度分辨率，其缺点是相对于速度结构，各向异性是二阶信息。所以注意的是，也如Chang et al.（2015）指出的，现在全球各向异性层析成像还存在较大的争议。 

参考文献：

 1.Boioli F, Carrez P, Cordier P, et al. Pure climb creep mechanism drives flow in Earth’s lower mantle[J]. Science Advances, 2017, 3(3): e1601958.

　2.Chang S J, Ferreira A M G, Ritsema J, et al. Joint inversion for global isotropic and radially anisotropic mantle structure including crustal thickness perturbations[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2015, 120(6): 4278-4300.（原文链接） 

　3.Ferreira A M G, Faccenda M, Sturgeon W, et al. Ubiquitous lower-mantle anisotropy beneath subduction zones[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 301-306. 

　4.Karato S, Zhang S, Wenk H R. Superplasticity in Earth's lower mantle: Evidence from seismic anisotropy and rock physics[J]. Science, 1995, 270(5235): 458-461.

 5.Karato S, Jung H, Katayama I, et al. Geodynamic significance of seismic anisotropy of the upper mantle: New insights from laboratory studies[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2008, 36: 59-95.

　6.Savage M K. Seismic anisotropy and mantle deformation: what have we learned from shear wave splitting[J]. Reviews of Geophysics, 1999, 37(1): 65-106.