中南美洲西北部是納斯卡板塊、科科斯板塊與南美板塊和加勒比板塊交匯碰撞的地區，具有複雜的板塊構造和頻繁的火山地震活動，是研究板塊碰撞及俯衝動力學過程的關鍵區域（圖1）。然而，受資料或方法的限制，前人成像研究的精度和分辨能力不足以準確回答一些重要的科學問題。例如，巴拿馬火山間隙與科科斯板塊東向俯衝以及加勒比板塊南向俯衝之間存在怎樣的關係？尼加拉瓜弧後火山下方的地幔結構是怎樣的？卡爾達斯構造帶南北兩側的速度和各向異性結構是否存在差異？這些科學問題都需要更精細的成像研究來進一步解決。
圖1 中南美洲西北部地區地形圖
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的呂彥副研究員與合作者李娟研究員、博士生賀羽慧、趙連鋒研究員、張金海研究員等，利用發展的地震波速度與各向異性聯合成像方法，獲得了中南美洲西北部地區第一個地幔頂部Pn波速度和各向異性綜合模型（圖2）。研究發現，尼加拉瓜弧後Azul火山下方存在獨立的低速異常，顯示該弧後火山下方的上湧熱物質在地幔頂部與主火山弧是分離的。在巴拿馬地區，地幔頂部的強低速帶向東終止於巴拿馬中部(～280°E)，顯示科科斯板塊向東俯衝引起的地幔熱物質影響在巴拿馬中部向東結束，而加勒比板塊的南向俯衝導致了巴拿馬東部地區小規模的地幔熱物質上湧。
圖2 中南美洲西北部地區地幔頂部Pn波速度與各向異性結構
儘管卡爾達斯構造帶兩側的地震分佈已表明納茲卡板塊的俯衝在該構造帶兩側存在差異，然而前人的層析成像研究均未能對該地區可能的構造差異給出清晰的成像認識。該研究獲得的高精度地幔頂部Pn波速度和各向異性模型，明確揭示了該地區南北兩側的速度及各向異性結構差異。基於該Pn波速度、各向異性結構和已有的地質觀測，該研究提出了包含地幔流動和岩漿間隙的納茲卡板塊俯衝動力學模型：在哥倫比亞–厄瓜多火山弧下方的地幔頂部存在平行於火山弧的各向異性，在俯衝板塊下方的地幔更深處存在垂直於火山弧的地幔流動，在卡爾達斯構造帶附近存在板塊撕裂及岩漿間隙（圖3）。
圖3 納茲卡板塊俯衝動力學過程示意圖
成果發表於國際學術期刊JGR: Solid Earth（呂彥*，李娟，賀羽慧，趙連鋒，張金海. Velocity and anisotropic structure of the uppermost mantle beneath Central America and northwestern South America from Pn tomography.Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127(4): e2021JB023643. DOI: 10.1029/2021JB023643）。研究受國家自然科學基金(41874066, 41674066)和中國科學院地質與地球物理研究所重點部署專案“行星多圈層耦合”(IGGCAS-201904)資助。
美編：陳菲菲
校對：劉強
