Вы можете использовать np.dstack
для укладки обоих массивов по глубине:
np.dstack([a, a**2])
a = np.arange(15).reshape(5, 3)
array([[ 0, 1, 2],
[ 3, 4, 5],
[ 6, 7, 8],
[ 9, 10, 11],
[12, 13, 14]])
np.dstack([a, a**2])
array([[[ 0, 0],
[ 1, 1],
[ 2, 4]],
[[ 3, 9],
[ 4, 16],
[ 5, 25]],
...