Abstract
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剪切波各向异性与粘性流动的关系
地球幔中的剪切波各向异性有助于约束由粘性流动引起的各向异性矿物的晶格优选取向。 -
日本海沟俯冲带的研究
先前的研究表明，日本海沟俯冲带的幔楔中存在强烈的各向异性，反映了由俯冲板块引起的粘性流动。 -
新研究发现的近海地区各向异性
本研究通过分析新安装的海底网络（S-net）记录的板内地震剪切波，发现近海地区的各向异性不在幔楔中，而仅存在于上覆地壳中（时间延迟约0.1秒，且快速方向与海沟平行）。 -
前弧幔楔的停滞状态
该现象表明，近海地区的前弧幔楔与俯冲板块解耦，不参与粘性流动，与其他区域的幔楔形成鲜明对比。前弧幔楔的停滞状态为俯冲带提供了一个稳定且寒冷的构造环境，具有重要的岩石学演化和地震过程影响。
Introduction
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各向异性的来源假设
许多研究假设观察到的各向异性来源于幔楔之外，可能是在俯冲板块下方，伴随海沟平行的幔流，或者是板块内部的结构织构，甚至在俯冲过程中由于板块弯曲产生的各向异性。此外，也有研究认为各向异性可能来源于上覆地壳的微裂缝或地质织构的应力控制取向。 -
S-net的建立与应用
为了解决海洋区域的地震观测问题，NIED在日本东北部建立了S-net（海底地震与海啸观测网络）。该系统覆盖约300 × 1000公里的海底区域，配备150个海底地震仪（OBS），通过5800公里长的光纤电缆连接。这一新系统的部署，不仅有助于深入理解浅层俯冲带的地震活动和大规模滑动，还扩展了对幔楔剪切波各向异性研究的空间范围，为进一步了解前弧的地震各向异性提供了重要数据。 -
研究结论
S-net的数据表明，离岸前弧幔楔缺乏各向异性，这与陆地网络的研究结果一致，帮助我们更清楚地了解幔楔的动态过程。此项研究结果与现有的地球动力学模型一致，表明其具有全球适用性，对俯冲带的研究具有广泛的影响。
Result
完整总结
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数据选择与研究区域
本研究使用了2016年8月至2019年4月期间S-net海底地震仪（OBS）记录的局部地震波形数据，聚焦于前弧幔楔区域，排除了远震数据。所选数据仅包括穿过俯冲板块上方前弧岩石的波传播路径，确保解析出的各向异性不来源于板块内部。 -
数据处理与选择标准
研究选择了287个Mw ≥ 3.5的板内地震，并结合F-net目录中的震源机制和深度信息进行筛选。同时，增加了321个小型重复性地震（Mw ≥ 2.5），并基于波形相似性更新了Uchida和Matsuzawa（2013）目录。还使用了108个浅层地震（Mw ≥ 3.5），其震源机制和深度同样来自F-net目录。 -
射线路径与数据验证
通过比较不同射线路径（板内地震与上板块地震），研究判断各向异性是否来源于幔楔。采用了与Nakajima等人（2006）相同的剪切波分裂参数估计程序，确保数据与先前研究结果的一致性。通过使用带通滤波器和互相关方法，精确估计了剪切波的快速方向和延迟时间，确保数据的准确性。 -
方法与技术的可靠性
本研究的方法充分利用了S-net数据的特性，并通过F-net目录中的深度信息提升了数据的精度。通过选择45°剪切波窗口，避免了表面波干扰，并结合特殊的低波速区域，使用更大的窗口进行数据分析，提高了结果的可靠性。 -
数据的特殊性与局限性
尽管S-net提供了大量数据，但由于海底地震仪尚未用于常规震源定位，海上地震的深度存在不确定性。因此，研究结合F-net目录中的深度信息进行修正，以确保深度的准确性。 -
研究结果与应用
研究表明，前弧幔楔的各向异性主要来源于上覆地壳而非幔楔本身，进而为理解俯冲带的构造和动力学过程提供了新的视角。
Trench-parallel fast directions in the forearc crust
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前弧地壳中的海沟平行快速方向
本研究通过分析板内地震和上板块地震的剪切波数据，发现前弧地壳中的快速方向大多沿海沟方向（海沟平行），并且这些方向具有空间相关性，分别在日本海沟和千岛海沟沿线表现为NNE-SSW和ENE-WSW的趋势。延迟时间大致集中在0.1秒左右，且没有显著的空间变化。快速方向大致平行于海沟方向以及站点下方俯冲板块的局部走向。 -
数据分析与可靠性
通过对不同站点数据的平均处理，研究表明，站点的分裂参数对入射角和回传方位角没有显著依赖，确保了数据分析的可靠性。通过对深层板内地震和浅层上板块地震的比较，发现这两类地震的分裂参数非常相似，表明海上前弧区域的各向异性来源主要位于35公里以下的大陆地壳，而非幔楔内部。 -
通过两个主要理由排除了前弧幔楔中显著剪切波分裂的可能性：首先，深层和浅层地震的分裂参数相似，表明各向异性源于浅层的大陆地壳；其次，观察到的延迟时间对深度变化不敏感，进一步支持了前弧幔楔内缺乏显著的剪切波分裂。最终，研究表明，前弧的海沟平行快速方向主要来源于上覆地壳中的各向异性。
Comparison with onshore forearc and back-arc
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海上与陆地前弧的相似性
研究发现，海上前弧与陆地前弧的剪切波分裂参数高度一致，尤其在快速方向和延迟时间方面。两者的快速方向均表现为海沟平行，且延迟时间相似，表明前弧区域的各向异性在不同环境下稳定。 -
快速方向与延迟时间的统一性
海上和陆地前弧区域的快速方向频率分布具有相似的峰值方位角，延迟时间在两个区域间变化不大，表明前弧区域的各向异性对深度变化不敏感。 -
后弧与前弧的差异
后弧区域的快速方向呈海沟法向分布，延迟时间约为0.2秒，与前弧显著不同，表明前弧和后弧的各向异性源存在显著差异。 -
火山前缘与俯冲板块的关系
火山前缘位于俯冲板块深度90至100公里的区域，是前弧与后弧的分界线。前弧和后弧的剪切波分裂差异与火山前缘位置密切相关。 -
板内地震的影响
研究排除了板内地震对结果的影响，确保了前弧的各向异性主要来自上板块地壳而非幔楔。
Discussion
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前弧幔楔中的各向异性缺失
本研究的最重要发现是前弧幔楔中缺乏显著的剪切波分裂，这表明该区域的各向异性非常微弱或不存在。尽管可以假设存在亚垂直对称轴的各向异性来解释这一现象，但由于该模式在约700公里长的边缘区域内（包括千岛和日本海沟之间的弯曲处）保持一致，因此这一假设极不可能成立。 -
前弧与后弧幔楔的各向异性对比
海上和陆地数据表明，前弧与后弧幔楔存在明显的各向异性差异。后弧的剪切波快速方向沿海沟法向分布，这与板块驱动的幔楔流动密切相关，产生了橄榄石的晶格优选取向。而前弧幔楔的S-net数据表明，前弧区域几乎没有剪切波分裂，表明前弧幔楔没有显著的流动相关各向异性。 -
B型橄榄石与前弧各向异性
先前的研究推测，前弧幔楔中的各向异性可能与B型橄榄石的存在有关，并假设前弧幔楔也参与了由板块驱动的流动，产生类似后弧的橄榄石晶格优选取向。然而，前弧幔楔的冷却特性使得其不太可能参与强烈的热激活蠕变，因此，前弧幔楔的各向异性相对较弱。 -
幔楔流动的耦合与解耦
根据Wada和Wang（2009）以及Wada等人（2011）的研究，俯冲板块与幔层在70-80公里的深度之前完全解耦，之后才开始耦合。因此，后弧幔楔参与全速粘性楔形流动，产生海沟法向的快速方向，而前弧幔楔则因停滞而不产生流动相关的各向异性。这一结论不仅适用于日本东北部，也适用于Cascadia等温板块俯冲带，表明该现象具有普遍性。 -
海上地壳各向异性
本研究还揭示了海上地壳的各向异性，主要表现为海沟平行的方向，这与先前基于陆地区域的地壳地震数据和方位各向异性三维成像模型一致。地壳各向异性通常通过应力控制的裂缝排列或结构织构解释。尽管海上区域的结构特征对地壳各向异性起到了关键作用，但水平应力的影响也不能完全排除。
Methods
The selection of the source earthquakes.
- 研究通过选择具有特定震源机制的板内地震和上板块地震来定位主要的剪切波分裂。板内地震的选择基于F-net提供的震源机制数据，并结合剪切角、震源机制的三维旋转角度以及震源深度等严格标准。重复性地震的选择则依据波形相似性进行，以确保数据的可靠性和一致性。上板块地震则根据震源深度和震源机制的要求进行筛选。
Waveform rotation
- 本部分讨论了如何将S-net的原始波形数据从X、Y、Z坐标系旋转到ENU坐标系，以便进行剪切波分裂分析。旋转矩阵是基于加速度计观测到的重力数据和远震长周期瑞利波估算的，且考虑到地震仪方位角的误差和强震对设备的影响，使用了每日估算的旋转矩阵进行数据转换。
Estimation of the splitting parameters.
- 剪切波分裂参数（快速方向和延迟时间）的估算方法。采用了互相关方法，通过波形的旋转和时间平移计算最大互相关值，从而确定分裂参数。时间窗口为1到1.5个振荡周期，且只选取S波到达清晰的地震记录进行分析。最终，使用t检验估算的分裂参数不确定性较小，快速方向和延迟时间的标准偏差分别为33°和0.06秒。通过该方法，研究保证了高精度的剪切波分裂分析结果。