孔华|吕彦等：深度学习震相拾取结合地震层析成像揭示美国西部地幔结构新模型

论文信息：

(1) 孔华，吕彦*，李娟，肖卓伟，赵连锋，刘丽军. Pn‐wave tomography using deep‐learning‐based phase picking reveals fine‐scale structure of the uppermost mantle beneath the southwestern United States[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2026, 131, e2026JB034108. DOI: 10.1029/2026JB034108.

(2) 孔华，肖卓伟，吕彦*，刘丽军，李娟. Fine structures of the uppermost mantle beneath the northwestern United States revealed by deep-learning-based phase picking and Pn tomography[J]. Tectonophysics, 2026, 937, 231327. DOI: 10.1016/j.tecto.2026.231327.

美国西部地区以强烈的壳幔变形和活跃的深部物质运移为显著特征，喀斯喀特山脉、哥伦比亚高原、黄石火山等构造单元的形成和演化与胡安德富卡板块俯冲以及地幔柱活动等深部动力学过程密切相关。尽管已有很多研究，但关于美国西部深部结构和过程的若干问题仍不明确，例如：卡斯卡迪亚俯冲带下方的地幔顶部物理性质是否具有空间一致性？黄石火山下方的热物质是否在空间上独立于蛇河平原下方热物质？要回答这些问题，亟需更高精度的深部结构模型，而提升地震数据的数量和质量则是提高成像质量的基础。

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室的博士研究生孔华与导师吕彦研究员、李娟研究员、肖卓伟博士后、赵连锋研究员、刘丽军研究员，基于前期已建立的全球百万量级Pn、Sn震相基准数据集，训练得到了适用于Pn、Sn震相拾取的深度学习拾取模型Seis-PnSn。应用该新模型，对美国西部地区2019至2023年间的地震波形数据进行拾取（图1），获得了20余万条Pn波到时数据，这一数量已超越该地区1964至2021年间ISC-EHB目录中的Pn震相数据量。研究完全基于新拾取的震相数据，应用Pn波速度与各向异性联合反演方法，对美国西部地区开展了地幔精细结构成像，构建了美国西部地幔顶部地震波速度与各向异性新模型。

图1 利用Seis-PickNet模型拾取Pn震相到时的示例

卡斯卡迪亚俯冲带下方的地幔速度与各向异性结构揭示了该俯冲带的分段特征（图2）。俯冲带南北两段的低速异常显示胡安德富卡板块俯冲到北美板块下方引发脱水和热物质上涌，中段高速区显示已冷却区域具有与低速区显著不同的各向异性结构。该模型与此区域震颤与滑移事件的分布具有显著空间相关性，进而支持深部流体加剧俯冲板块边界低速异常区构造失稳程度的观点。成像结果为精确划分卡斯卡迪亚俯冲带分段以及揭示该地区震颤与滑移事件的成因机制提供了关键约束。

图2 卡斯卡迪亚俯冲带地幔顶部速度与各向异性结构与构造模型概念图

成像结果显示蛇河平原与黄石火山下方存在两个地幔顶部低速异常区（图3）。与前人Pn波成像结果相比，该研究清晰识别并刻画了黄石火山下方低速异常体的独立特征。结合该地区最新研究进展，研究认为黄石火山与西部的蛇河平原低速区之间存在岩浆间隙，支持黄石火山下方热物质独立倾斜上涌的模型。该地区多个火山在地幔深处可能具有连通的热物质储库，但在地幔顶部这一深度，黄石火山下方存在相对独立的热物质供给通道。此外，在科罗拉多高原的成像结果清晰刻画了黑岩沙漠火山、马卡根特高原火山以及圣弗朗西斯科火山下方独立的地幔热物质结构。

图3 蛇河平原与黄石火山地区地幔顶部速度与各向异性结构以及模型示意图

研究结果表明，深度学习震相拾取方法提升了数据处理效率、增加了震相数据数量、提高了层析成像质量。研究展示了深度学习技术在地球内部结构研究中的重要作用，获得的美国西部地区地幔精细结构模型也为该地区板块俯冲和深部物质运移过程提供了新的认识。