横贯南极山脉和南极大裂谷区域的地震各向异性研究

Antarctica has unique geological structure, but its harsh environment makes it being the least well understood continent of Earth. It has been still a challenge for scientists to understand and explain the mechanism of formation of the Transantarctic Mountains (TAM) and the West Antarctic Rift System (WARS). Observations and analyses of the signals of seismic anisotropy can provide us the geodynamical information in the crust and upper mantle, such as tectonic deformation, lithosphere evolution, crust-mantle coupling deformation and mantle convection, and it can help us to determine the geodynamic mechanism of WARS and TAM, and to verify the results of previous geodynamic models of the WARS and TAM evolutions. Shear wave splitting is the most intuitive signal to tell us the existence of azimuthal anisotropy below a seismic station. However, it has no vertical resolution for the depth location of an anisotropic structure, and hardly identifies multilayer anisotropic structures. The polarization anomaly for seismic surface waves with different frequencies and normal mode coupling caused by anisotropy can provide us the depth and multilayer information of azimuthal anisotropy, and thus it can be used as an important supplement to the results of shear wave splitting measurements. In this application project, we plan to study seismic anisotropy beneath WARS and TAM by combination analysis of the measurements of shear wave splitting , observations of quasi-Love wave and normal mode coupling in Antarcica, so as to well understand anisotropic structures blow TAM and WARS, and then to determine mechanism of the formation of TAM belt and its possible relation with the WARS.

南极大陆具有独特的构造，但其极端的环境使得南极为人类认知程度最低的一个大陆。研究西南极大裂谷和横贯南极山脉的形成机制是地球物理学和动力大地测量学研究的难点。地震各向异性可反映地壳和上地幔的构造变形、应力状态变化等地球动力学信息，可应用于研究探索西南极大裂谷和横贯南极山脉的形成的地球动力学机制，验证之前各种南极造山模型给出的结论。剪切波分裂是地震观测站下存在地震各向异性的最直观的表现形式之一。但是，剪切波分裂不能分辨各向异性介质的深度位置，很难分辨地壳和地幔存在多层各向异性的情况。不同频率的面波的偏振异常和地球自由振荡简正模耦合可提供各向异性的深度信息和多层次信息，可作为剪切波分裂分析研究各向异性方法的重要补充。本申请项目拟综合分析南极剪切波分裂，面波偏振异常和简正模耦合的观测，研究横贯南极山脉和西南极大裂谷周边区域的各向异性空间分布，探索二者形成的地球动力学机制。

南极大陆具有独特的地质构造，但其大部分区域被覆盖在平均厚度2000多米的冰盖下，极端的环境使得南极一直为人类认知程度最低的大陆。通过直接观测方式研究横贯南极山脉和西南极大裂谷的形成机制几乎不可能。分析地震波的各向异性特征可发现南极地壳和上地幔中构造变形的地球动力学特征，由此可探索横贯南极山脉和西南极大裂谷形成的地球动力学机制。地震剪切波分裂信号是确定观测站周边50km范围内地壳和上地幔中是否存在方位各向异性结构的直观标志，但南极地震台站的分布非常稀疏。可是，南极台站记录的地震面波传播路径却可覆盖南极大部分区域，而方位各向异性结构也可导致面波发生偏振异常。根据面波偏振异常信号可发现台站附近1000km范围内是否存在上地幔方位各向异性结构。不同频率的面波偏振异常信号还可提供各向异性结构的深度范围。. 我们设计了带通滤波器用于分析南极台站的面波观测数据，发现了穿过罗斯海湾的Love波在7-13mHz频段显示偏振异常，由此证实在罗斯海湾的上地幔中存在方位各向异性结构，深度大约为100-150km。定位结果表明各向异性结构边界的水平位置靠近罗斯海湾中心线附近，将盆地分为东西两部分。尤其重要的是，各向异性结构边界的水平位置非常接近最近发现的罗斯海湾地磁异常边界和密度异常边界，也接近P波速度确定的200km深度处冷热地幔的边界位置。罗斯海湾不同深度的观测结果相关联，表明其中地壳和上地幔存在垂直相干边界条件，这为壳幔耦合变形动力学模型提供了有利的证据。我们推断在白垩纪和新生代时期西南极的大规模裂谷构造活动中，在罗斯海湾下方形成了垂直地幔流和水平地幔流，罗斯海湾的上地幔方位各向异性结构可能是由于垂直地幔流转向为水平地幔流。西南极克拉通区域下方的水平地幔热流向西延伸至横贯南极山脉的顶部，可能为横贯南极山脉西段的不对称隆起提供了浮动热负荷。因此，罗斯海盆地上地幔中方位各向异性结构的存在，表明热驱动隆起机制可能是西南极裂陷和横贯南极西部山脉抬升的主要原因之一。