朱敏， 吳慶舉， 寧杰遠(yuǎn)， 張瑞青

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 北京大學(xué)理論與應(yīng)用地球物理研究所， 北京 100871 3 中國地震局地震觀測(cè)與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

0 引言

中國東北地區(qū)位于興蒙造山帶的東端，南北分別與華北克拉通和西伯利亞克拉通相接，東臨西太平洋俯沖帶，自古生代以來，先后經(jīng)歷古亞洲洋和蒙古—鄂霍茨克洋閉合的影響以及太平洋板塊俯沖的多期構(gòu)造作用(林強(qiáng)等, 1998; 吳福元和曹林, 1999)，這些構(gòu)造作用對(duì)東北地區(qū)深部結(jié)構(gòu)演化產(chǎn)生了重要影響.

東北地區(qū)廣泛發(fā)育了一系列的新生代板內(nèi)火山，其中比較活躍的是長白山火山和五大連池火山.前人利用多種地球物理方法對(duì)火山區(qū)的深部結(jié)構(gòu)展開研究(Ai et al., 2003; Lei et al., 2013; 張風(fēng)雪等, 2014; 潘佳鐵等, 2014; Zhang et al., 2014; 強(qiáng)正陽和吳慶舉, 2015; Li et al., 2016; Liu et al., 2017)，研究表明這些板內(nèi)火山活動(dòng)的形成與太平洋板塊的俯沖作用存在重要的聯(lián)系，然而這些火山作用的起源和形成機(jī)制仍然是一個(gè)存在爭(zhēng)議的問題(Zhao, 2021).大地幔楔模型的研究認(rèn)為板片的俯沖和后撤驅(qū)動(dòng)的地幔楔中的地幔對(duì)流是這些板內(nèi)火山的深部熱源(Lei and Zhao, 2005; Duan et al., 2009; Tian et al., 2016; 田有等, 2019)；板片間隙模型的研究認(rèn)為地幔轉(zhuǎn)換帶中停滯的俯沖板片存在空缺，由俯沖板片攜帶的熱物質(zhì)或者過渡帶之下的熱物質(zhì)從這個(gè)空缺上涌為長白山火山提供熱源(Tang et al., 2014; Liu et al., 2015; Guo et al., 2018; Tao et al., 2018)；最近的數(shù)值模擬研究表明，東北亞的板內(nèi)火山活動(dòng)可以用俯沖太平洋板塊與含水MTZ的相互作用來解釋(Yang and Faccenda, 2020).

對(duì)于中國東北地區(qū)地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)的研究，有助于我們研究地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)俯沖板片的結(jié)構(gòu)及其俯沖過程，進(jìn)一步探究東北地區(qū)火山活動(dòng)的深部成因.地幔轉(zhuǎn)換帶上界面(簡(jiǎn)記為410-km)和地幔轉(zhuǎn)換帶下界面(簡(jiǎn)記為660-km)分別對(duì)應(yīng)不同礦物的相變面，其中410-km是橄欖石到瓦茲利石的相變面(Ringwood, 1968)，對(duì)應(yīng)的克拉伯龍斜率(Clapeyron slope)為正，而660-km是林伍德石分解為鈣鈦礦和鐵方鎂石的相變面(Ito and Takahashi, 1989)，對(duì)應(yīng)的克拉伯龍斜率為負(fù).根據(jù)這一相反變化的克拉伯龍斜率性質(zhì)，若MTZ附近存在高溫物質(zhì)(熱流等)，410-km會(huì)變深，660-km會(huì)變淺，MTZ的厚度會(huì)減?。蝗鬗TZ附近存在低溫異常例如殘存的俯沖板片或巖石圈拆沉物質(zhì)，410-km會(huì)抬升，660-km會(huì)下沉，MTZ的厚度會(huì)增厚，因此MTZ的厚度是地幔轉(zhuǎn)換帶附近溫度和物質(zhì)組分的重要表征參數(shù).

接收函數(shù)是研究速度間斷面的有效手段，在全球深部結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮著重要的作用.在接收函數(shù)成像方法中比較常用的是共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(Common Conversion Point, CCP)疊加方法(Dueker and Sheehan, 1997; Zhu, 2000)，這個(gè)方法通?；谝痪S速度模型，并且依賴水平界面的假設(shè)，對(duì)于速度橫向不均勻性明顯和存在大角度傾斜界面的地區(qū)，難以準(zhǔn)確成像.借鑒反射地震學(xué)中的偏移思想，基于射線理論和波動(dòng)方程的接收函數(shù)偏移成像方法也逐漸發(fā)展起來，并廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)的間斷面結(jié)構(gòu)成像中.Bostock 和 Rondenay(1999)通過Born近似的引入實(shí)現(xiàn)了接收函數(shù)的波動(dòng)方程偏移；Levander 等(2005)發(fā)展了Kirchhoff積分的散射波波動(dòng)方程偏移方法；Chen 等(2005)提出了基于波動(dòng)方法的疊后偏移方法；此外，Shang 等(2012)嘗試將逆時(shí)偏移方法(Revers-time Migration, RTM)引入接收函數(shù)偏移成像，并得到了一定的發(fā)展(Burdick et al., 2014; Shang et al., 2017; Li et al., 2018)；Liu和Levander(2013)在Rondenay等(2001)基礎(chǔ)上提出了三維廣義Radon變換(Generalized Radon Transform, GRT)方法并驗(yàn)證其在火山口及圓頂狀界面成像中的有效性.波動(dòng)方程疊加、RTM、GRT等方法對(duì)于復(fù)雜界面可以恢復(fù)，但是計(jì)算成本較高，并且對(duì)于數(shù)據(jù)的要求也較高，大多運(yùn)用在區(qū)域臺(tái)陣或線性陣列研究中.我們?nèi)匀挥斜匾l(fā)展新的數(shù)據(jù)處理手段，以挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)的潛力.

近年來，基于散射核的接收函數(shù)偏移成像方法也得到進(jìn)一步發(fā)展.Cheng等(2016)基于前人Kirchhoff偏移思想，結(jié)合Fast Marching Method(FMM)三維走時(shí)場(chǎng)計(jì)算方法，提出了接收函數(shù)Kirchhoff 3-D疊前偏移成像方法，通過理論測(cè)試驗(yàn)證了該方法對(duì)高角度傾斜界面的成像有效性，并應(yīng)用到北美Cascadia俯沖板片的研究中(Cheng et al., 2017).Hansen 和Schmandt(2017)利用散射核的計(jì)算實(shí)現(xiàn)P波接收函數(shù)和S波接收函數(shù)的三維偏移成像.在此方法基礎(chǔ)上，Zhang和Schmandt(2019)通過引入慢度窗口，減少了由于數(shù)據(jù)密度不夠造成的成像假象.Millet等(2019)進(jìn)一步發(fā)展了聯(lián)合多種散射震相的接收函數(shù)Kirchhoff偏移成像方法.

本文擬在前人提出的接收函數(shù)Kirchhoff偏移成像方法基礎(chǔ)上，綜合考慮多種疊加因素，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)接收函數(shù)三維Kirchhoff偏移成像方法，并利用中國東北地區(qū)豐富的接收函數(shù)資料，得到中國東北地區(qū)(116°E—134°E，38°N—52°N)地幔轉(zhuǎn)換帶間斷面的起伏形態(tài)，進(jìn)而為研究區(qū)板內(nèi)火山的深部成因提供約束.

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本研究中用到的接收函數(shù)由Zhang等(2016)提供，主要由三部分組成：研究區(qū)東北近乎平行的兩條線性臺(tái)陣(Linear arrays)由中國地震局地球物理研究所布設(shè)于2009年6月至2011年8月，包括121個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站，臺(tái)間距約為20 km；幾乎同時(shí)期中美國際合作布設(shè)的NECESSArray臺(tái)陣由127個(gè)寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)站組成，平均臺(tái)間距約為80 km；穿插其中的124個(gè)固定臺(tái)(CEA stations)的記錄時(shí)間是2009年5月至2013年5月(Zheng et al., 2010).整體上，研究區(qū)布設(shè)共計(jì)372個(gè)地震臺(tái)站，記錄到約1200個(gè)地震事件，為我們研究中國東北地區(qū)(116°E—136°E, 38°N—52°N)上地幔間斷面結(jié)構(gòu)成像提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(圖1).

圖1 研究區(qū)示意圖及地震臺(tái)站和地震事件分布情況

接收函數(shù)由時(shí)間域迭代反褶積方法(Ligorría and Ammon, 1999)提取得到，由于東北地區(qū)地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了對(duì)小尺度異常進(jìn)行成像，我們選取高斯系數(shù)2.5，對(duì)應(yīng)的截止頻率約1.2 Hz.對(duì)收集到的接收函數(shù)進(jìn)一步篩選，選出0時(shí)刻附近(約0.5 s)振幅積分為正、且該振幅為整條接收函數(shù)的最大振幅、后續(xù)震相清晰的6萬多條接收函數(shù)用于偏移成像研究(圖2).

圖2 P波徑向接收函數(shù)實(shí)例

1.2 研究方法

1.2.1 Kirchhoff疊前偏移成像

基于Kirchhoff積分的偏移成像方法最早廣泛應(yīng)用在石油行業(yè)中，由Levander等(2005)引入天然地震成像研究中.該方法的基本思路是通過給定背景速度模型，把地震波能量反傳到地震波等時(shí)雙曲線上.對(duì)于Ps接收函數(shù)而言，研究區(qū)三維空間的所有網(wǎng)格點(diǎn)都可以當(dāng)作潛在的P-to-S轉(zhuǎn)換點(diǎn)，通過給定的轉(zhuǎn)換波與直達(dá)波的走時(shí)差把接收函數(shù)的能量偏移到對(duì)應(yīng)的深度雙曲線上，進(jìn)而對(duì)每一條觀測(cè)記錄的能量進(jìn)行加權(quán)疊加得到地下界面成像結(jié)果.圖3給出了Kirchhoff散射波場(chǎng)成像的基本框架.

圖3 散射波場(chǎng)示意圖(改自Millet et al., 2019)

根據(jù)Rondenay(2009)總結(jié)的轉(zhuǎn)換波偏移成像的基本思路，偏移方程可以表示為

fPS(x)=∑i∑jW(i,j,k)·RF(i,j,TPS(i,j,x)),

(1)

其中，fPS(x)是成像格點(diǎn)x處的散射勢(shì)能，i和j分別代表第j個(gè)臺(tái)站和第i個(gè)地震事件，RF表示接收函數(shù)，本研究中只用到P波徑向接收函數(shù).W表示相應(yīng)的疊加因子，包含幾何擴(kuò)散、散射花樣、偏振極性等信息，與事件和臺(tái)站的相對(duì)位置、散射角有關(guān)，將在后文中詳細(xì)展開.TPS(i,j,x)=TP(i,x)+TS(j,x)-Td(i,j)表示走時(shí)差，其中TP(i,x)是第i個(gè)地震到散射點(diǎn)x的P波走時(shí)，TS(j,x)表示從轉(zhuǎn)換點(diǎn)x到第j個(gè)臺(tái)站的S波走時(shí)，而Td(i,j)表示參考速度模型下第i個(gè)震源到第j個(gè)臺(tái)站的直達(dá)P波的走時(shí).

三維走時(shí)場(chǎng)的計(jì)算我們利用基于快速行進(jìn)法(Fast Marching Method, FMM)的FM3D程序(De Kool et al., 2006)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)方法的核心思想是利用由節(jié)點(diǎn)組成的波前窄帶模擬曲面的演化，通過向后差分獲得程函方程的弱解，與基于斯奈爾定律的傳統(tǒng)射線追蹤方法相比，可以得到空間中所有節(jié)點(diǎn)的完整走時(shí)場(chǎng)，且可以同時(shí)計(jì)算多個(gè)接收點(diǎn)的走時(shí)，計(jì)算效率較高.在實(shí)際計(jì)算過程中，我們只需要計(jì)算由震源出發(fā)、臺(tái)站接收的正傳P波走時(shí)場(chǎng)和由臺(tái)站出發(fā)(以臺(tái)站為虛擬震源)、散射點(diǎn)接收的反傳S波走時(shí)場(chǎng)，計(jì)算量由地震事件個(gè)數(shù)、臺(tái)站個(gè)數(shù)以及研究區(qū)三維網(wǎng)格劃分尺度決定.

權(quán)重因子進(jìn)一步可以寫為

W(i,j,k)=G(j,x)·εPs(i,j,x)·δPs(x),

(2)

其中G(j,x)是散射點(diǎn)x到第j個(gè)臺(tái)站的幾何擴(kuò)散因子，在三維參考坐標(biāo)下，G(j,x)=1/d(j,x)，d(j,x)近似為散射點(diǎn)與臺(tái)站之間的直線距離.εPs(i,j,x)為轉(zhuǎn)換波的散射花樣，根據(jù)Rondenay(2009)的推導(dǎo)，可以表示為

(3)

綜合以上的疊加因子，研究區(qū)下方每個(gè)散射格點(diǎn)的Ps轉(zhuǎn)換波散射勢(shì)能可以表示為

(4)

1.2.2 理論測(cè)試

前人為了驗(yàn)證此方法對(duì)于傾斜界面的分辨能力進(jìn)行了諸多理論測(cè)試(Cheng et al., 2016; Hansen and Schmandt, 2017; Millet et al., 2019; Zhang and Schmandt, 2019)，測(cè)試結(jié)果表明相較于CCP共轉(zhuǎn)換點(diǎn)疊加方法而言，基于Kirchhoff疊前偏移的接收函數(shù)成像方法可以考慮速度的橫向不均勻性，對(duì)傾斜角度高達(dá)60°的界面都有很好的恢復(fù)能力，因此對(duì)于復(fù)雜形態(tài)的界面有更好的分辨能力.為了驗(yàn)證接收函數(shù)三維Kirchhoff偏移成像方法在中國東北復(fù)雜俯沖構(gòu)造下的成像可能性，我們?cè)O(shè)計(jì)了二維板片俯沖停滯模型進(jìn)行測(cè)試.

采用的參考速度模型是AK135模型，其中高速俯沖板片從地幔過渡帶之上以30°傾角俯沖進(jìn)入地幔過渡帶，并在660-km界面上方水平停滯，其下界面下沉至710 km深度.板片厚度為100 km，板片的P波、S波速度以及密度異常均為+5%左右(圖5)，與前人在這一地區(qū)速度成像得到的速度異常幅度相當(dāng)(Tao et al., 2018).根據(jù)東北地區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)的臺(tái)站臺(tái)間距(20～80 km)，設(shè)計(jì)臺(tái)間距為0.3弧度，共計(jì)101個(gè)臺(tái)站線性排列在地表，以臺(tái)站中心為基準(zhǔn)，在臺(tái)站兩側(cè)，50°～90°震中距10°等間距分布共10個(gè)遠(yuǎn)震事件(圖4a).本測(cè)試主要對(duì)板片俯沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，為了成像結(jié)果更加清晰直觀，設(shè)置地震事件均為深源地震，震源深度為550 km，以保證pP，sP波等深度震相至少比P660s波晚到20 s，減少震相的混雜對(duì)成像結(jié)果的干擾.

利用二維譜元法(SPECFEM2D)(Komatitsch et al., 2001)合成理論地震圖，最小分辨周期為1 s左右，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.025 s，長度為1200 s，采用中心頻率為0.3 Hz的Ricker子波作為震源時(shí)間函數(shù)(圖4b).選取震中距30°～90°的合成數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，時(shí)間域迭代提取高斯系數(shù)為2.0的890條理論P(yáng)波接收函數(shù)(圖6).

圖4 震源與臺(tái)站的分布情況及震源時(shí)間函數(shù)

圖5 研究區(qū)速度模型示意圖

圖6 正演計(jì)算的接收函數(shù)實(shí)例

基于圖5的參考速度模型光滑后計(jì)算三維走時(shí)場(chǎng)并進(jìn)行偏移疊加成像，得到如圖7所示的成像結(jié)果.結(jié)果顯示，Kirchhoff三維偏移成像方法可以對(duì)地幔轉(zhuǎn)換帶上下界面(410 km和660 km)進(jìn)行清晰的成像，并且對(duì)于以30°傾角俯沖進(jìn)入地幔轉(zhuǎn)換帶并水平停滯在地幔轉(zhuǎn)換帶中的俯沖板片，其上下界面的形態(tài)也有較好的成像效果.

圖7 研究區(qū)200～798 km偏移成像結(jié)果(以整個(gè)剖面最大絕對(duì)幅值做歸一化)

2 成像結(jié)果

前人在中國東北地區(qū)地殼上地幔開展了一系列的速度成像研究(Zhao, 2004; Huang and Zhao, 2006; Tang et al., 2014; 張風(fēng)雪等, 2014; 潘佳鐵等, 2014; Shen et al., 2016; Tao et al., 2018; 田有等, 2019)，結(jié)果顯示，中國東北地區(qū)存在明顯的速度橫向不均勻性，主要表現(xiàn)在長白山下方顯示明顯低速異常，松遼盆地表現(xiàn)為顯著高速異常，速度異?？蛇_(dá)±6%，因而在利用接收函數(shù)進(jìn)行偏移成像時(shí)要考慮研究區(qū)三維速度橫向不均勻性的影響.本研究采用Tao等(2018)利用全波形反演的方法得到的三維速度模型FWEA18模型，這個(gè)模型同時(shí)利用了體波及面波的走時(shí)和振幅信息，是東亞地區(qū)較為精細(xì)的地殼上地幔三維P波以及S波速度模型，模型的橫向分辨率為50～80 km，縱向分辨率為20～50 km.

以FWEA18模型為參考，基于三維Kirchhoff偏移成像方法對(duì)研究區(qū)(115°E—136°E，36°N—52°N)采用0.1°×0.1°×3 km的網(wǎng)格劃分，計(jì)算走時(shí)場(chǎng)，偏移疊加得到研究區(qū)深部間斷面結(jié)構(gòu)，由于臺(tái)站的臺(tái)間距高達(dá)80 km，而地表至兩倍臺(tái)間距深度成像結(jié)果會(huì)受空間假頻較大影響(Rondenay et al., 2005)，因此我們主要討論地幔轉(zhuǎn)換帶的結(jié)構(gòu).圖8給出了研究區(qū)410-km界面以及660-km界面轉(zhuǎn)換波射線穿透點(diǎn)的密度，在研究區(qū)大部分地區(qū)射線密度都有很好的覆蓋.

圖8 研究區(qū)410-km界面和660-km界面的穿透點(diǎn)密度

圖9展示了41°N至49°N每一度間隔共九條東西向剖面的成像結(jié)果，每條剖面以最大絕對(duì)振幅進(jìn)行歸一化處理，顏色深淺只表征散射勢(shì)能的相對(duì)大小.結(jié)果顯示，在410 km和660 km深度附近存在兩條連續(xù)性較好、正極性(速度由小到大變化)的強(qiáng)信號(hào)，分別代表410-km和660-km間斷面.從各剖面結(jié)果中可以看出，410-km界面整體起伏幅度較小，平均深度在410 km左右，而660-km界面深度變化較大，并且以45°N為界呈現(xiàn)明顯的南北差異，在41°N—45°N，660-km界面下沉明顯，最大下沉在43°N剖面中130°E附近，深度可達(dá)711 km，結(jié)合剖面中深源地震的分布，此處的劇烈下沉可能與俯沖板片與660-km間斷面在此處直接交匯有關(guān).在45°N以北，660-km界面的下沉幅度減小，范圍向西擴(kuò)展至125°E附近，呈現(xiàn)整體性下沉的特點(diǎn).Wang等(2020) 的接收函數(shù)剖面結(jié)果顯示，在410 km與660 km深度之間還存在一組極性相反的震相，推測(cè)是過渡帶內(nèi)停滯的俯沖板片的上、下界面.本文剖面結(jié)果中也可以觀測(cè)到地幔轉(zhuǎn)換帶中存在一些不連續(xù)的界面，但是這些界面的埋深及展布形態(tài)都與之存在一定差異。因此，這些不連續(xù)界面是否是俯沖板片的上、下界面仍值得進(jìn)一步深入研究.

圖9 研究區(qū)東西方向41°N—49°N共9條垂直剖面250 km至790 km散射勢(shì)能以每條剖面上最大絕對(duì)幅值做歸一化進(jìn)行繪圖.圖中綠色虛線是410-km和660-km界面的參考位置，深度分別是410 km和675 km.

根據(jù)各剖面410-km和660-km界面最大散射勢(shì)能深度的拾取得到了研究區(qū)410-km以及660-km界面的空間分布，并根據(jù)這兩個(gè)界面的深度差得到了地幔轉(zhuǎn)換帶厚度的變化(圖10a,10c,10e).410-km界面的深度范圍為391～430 km，平均深度為411 km.在45°N兩側(cè)差異明顯，45°N以北主要表現(xiàn)在松遼盆地北側(cè)五大連池火山群附近大范圍抬升，抬升幅度達(dá)10 km；45°N以南表現(xiàn)為幾處明顯的下沉，集中在長白山火山附近以及松遼盆地以南，下沉幅度達(dá)到15～20 km.660-km界面的平均深度為675 km，深度范圍為651～711 km，長白山火山群附近顯示大范圍明顯下沉，下沉超過25 km，沿北偏西近30°方向呈現(xiàn)大范圍不連續(xù)的下沉，下沉幅度稍小，約15 km范圍內(nèi)，此外，在研究區(qū)東南角也呈現(xiàn)小范圍10 km左右的下沉.研究區(qū)MTZ厚度從250 km到313 km變化，與660-km的結(jié)果呈現(xiàn)相似的特點(diǎn).在后文中，我們以410 km和675 km作為410-km界面和660-km界面的參考深度，并以265 km作為MTZ的參考厚度對(duì)研究區(qū)火山群附近界面的起伏以及地幔轉(zhuǎn)換帶的厚度分布進(jìn)行討論.

圖10 研究區(qū)的410-km和660-km界面深度以及地幔轉(zhuǎn)換帶厚度變化

結(jié)合圖10中410-km界面、660-km界面起伏和MTZ厚度的分布以及圖11中這兩個(gè)界面深度以及MTZ厚度之間相關(guān)關(guān)系可以看出，410-km界面和660-km界面的深度呈較弱的正相關(guān)；MTZ的厚度與410-km界面深度呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)，與660-km界面深度呈明顯的正相關(guān)，受這兩個(gè)界面深度變化的共同影響.

圖11 410-km界面深度、660-km界面深度、MTZ厚度的相關(guān)關(guān)系藍(lán)色圓圈是兩兩對(duì)應(yīng)散點(diǎn)，紫色實(shí)線是線性擬合關(guān)系. (a)660-km界面深度與410-km界面深度的相關(guān)關(guān)系； (b) MTZ厚度與410-km界面深度的相關(guān)關(guān)系； (c) MTZ厚度與660-km界面深度的相關(guān)關(guān)系.

3 討論

以三維速度模型FWEA18模型為參考模型，我們得到了中國東北地區(qū)地幔轉(zhuǎn)換帶界面的起伏變化，為了進(jìn)一步分析三維速度橫向不均勻性的影響，我們利用全球一維模型IASP91(Kennett and Engdahl, 1991)采用相同的處理流程進(jìn)行成像，并與基于三維速度模型的成像結(jié)果比較.

圖10中左右兩列分別為基于FWEA18模型的成像結(jié)果(圖10a,10c,10e)以及基于IASP91模型的成像結(jié)果(圖10b,10d,10f).結(jié)果顯示，基于這兩個(gè)模型的成像結(jié)果主要特征相似，在細(xì)節(jié)上存在一定差異.410-km界面的成像結(jié)果，相比于一維模型，基于FWEA18模型的成像結(jié)果沒有顯示45°N左右松遼盆地西側(cè)明顯的抬升，并且長白山火山周圍的下沉異常范圍收縮到長白山以北、龍崗火山附近，在長白山正下方?jīng)]有明顯異常，此外在松遼盆地以南呈現(xiàn)了局部的下沉.660-km界面的成像結(jié)果中，基于FWEA18模型的結(jié)果顯示諾敏河火山以北的異常不明顯，五大連池和長白山火山附近660-km下沉的范圍收縮，呈現(xiàn)不連續(xù)的特征，長白山火山以西的C異常范圍更大，抬升更明顯.總體來說，F(xiàn)WEA18模型的結(jié)果異常范圍更小，主要火山區(qū)的異常不連續(xù)，長白山火山以西的異常更加明顯.對(duì)于結(jié)果的差異，可以歸因于三維速度對(duì)走時(shí)差的校正在一定程度上修正了各界面的深度，考慮速度橫向不均勻性、基于三維速度模型的成像結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確的恢復(fù)東北地區(qū)地幔過渡帶結(jié)構(gòu)，在后文中主要對(duì)基于FWEA18模型的成像結(jié)果進(jìn)行討論.

410-km間斷面和660-km間斷面的起伏形態(tài)是地幔轉(zhuǎn)換帶物質(zhì)組分、熱結(jié)構(gòu)、含水量等因素的綜合表現(xiàn).根據(jù)這兩個(gè)速度密度間斷面深度的分布以及地幔轉(zhuǎn)換帶厚度的變化，我們對(duì)研究區(qū)深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，并嘗試對(duì)主要火山區(qū)的深部成因作出解釋.

以675 km作為660-km界面的參考深度，該界面表現(xiàn)為大范圍的下沉(圖10中A、B異常)和局部的隆起(圖10中C異常).界面下沉最明顯的是位于長白山火山群附近的A異常，異常幅度超過25 km，相同位置410-km界面表現(xiàn)為小范圍的下沉，對(duì)應(yīng)的MTZ的A異常也顯示明顯下沉，前人接收函數(shù)研究(Ai et al., 2003; Liu et al., 2015; Zhang et al., 2016)也顯示相似的結(jié)果，并解釋這一異常與較冷的西太平洋俯沖板片有關(guān).C異常位于鏡泊湖火山以西200 km位置，660-km界面顯示近15 km的抬升，與Liu等(2015)CCP成像得到的結(jié)果一致，并且在FWEA18模型中同樣深度相近位置，S波也表現(xiàn)為明顯的低速異常，暗示該處存在高溫異常.結(jié)合Tang等(2014)提出的板片空缺模型，我們認(rèn)為俯沖停滯的板片可能由于重力失穩(wěn)發(fā)生撕裂，形成熱物質(zhì)上涌的通道，熱物質(zhì)上涌并與地幔楔流匯聚至410-km界面下方，造成410-km界面的下沉，由于板塊后撤的影響使得上升熱流向東傾斜，為長白山火山群提供深部熱源.

在C異常以北存在呈長條狀南北分布的異常B，表現(xiàn)為660-km界面15 km左右的下沉，較A異常幅度稍小，可能是俯沖板片的殘存造成的低溫異常，在410-km界面中表現(xiàn)為五大連池以及諾敏河火山群附近的明顯抬升，與Zhang等(2016)的結(jié)果類似，結(jié)合前人巖石圈上地幔的速度成像結(jié)果，松遼盆地下方存在高速異常，可能是由于松遼盆地下方巖石圈發(fā)生拆沉(Li et al., 2012; 潘佳鐵等, 2014; 張風(fēng)雪等，2014)，較冷的巖石圈拆沉物質(zhì)下沉至410-km附近，造成410-km界面的抬升，同時(shí)巖石圈拆沉造成的軟流圈局部熱流上涌為五大連池火山、諾敏河火山提供深部熱源.Guo 等(2018)聯(lián)合體波和面波數(shù)據(jù)反演得到的速度結(jié)構(gòu)也顯示松遼盆地周圍阿爾山火山以及阿巴嘎火山下方的低速異常深度較淺，不超過200 km，認(rèn)為這些火山的的巖漿來源于局部的軟流圈熱物質(zhì)上涌，我們的觀測(cè)支持這一觀點(diǎn).

除這幾處主要異常外，松遼盆地以南還存在不連續(xù)的660-km以及410-km的下沉，結(jié)合長白山火山以南660-km界面沒有明顯的下沉，我們認(rèn)為西太平洋俯沖板片的主體可能已經(jīng)進(jìn)入下地幔，殘存的俯沖板片造成這些局部幅值較小的間斷面異常.

4 結(jié)論

本文在前人Kirchhoff偏移成像方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮疊加因素，對(duì)接收函數(shù)三維Kirchhoff成像方法加以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行理論測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示在臺(tái)站以及事件分布均勻的條件下，水平界面的位置可以準(zhǔn)確的恢復(fù)，對(duì)于30°傾角的傾斜界面也有較好的成像效果.

利用中國東北地區(qū)的密集臺(tái)陣數(shù)據(jù)資料，基于三維速度模型FEWA18模型，采用接收函數(shù)三維Kirchhoff偏移成像方法對(duì)地幔轉(zhuǎn)換帶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示：

(1) 在長白山火山東側(cè)660-km界面明顯下沉，可能與轉(zhuǎn)換帶中西太平洋俯沖板片的停滯有關(guān)，以西地幔轉(zhuǎn)換帶出現(xiàn)局部的抬升，暗示該處俯沖板片可能發(fā)生撕裂，形成熱物質(zhì)上涌的通道，上升熱流與地幔楔流匯聚共同為長白山火山提供深部熱源；

(2) 五大連池火山附近410-km界面明顯抬升，可能是巖石圈拆沉物質(zhì)的作用，拆沉導(dǎo)致的局部熱流是五大連池以及諾敏河火山的深部成因.而660-km界面的下沉反映了地幔轉(zhuǎn)換帶中可能存在殘余的俯沖板片.

致謝感謝NECESSArray臺(tái)陣以及東北地區(qū)線性臺(tái)陣布設(shè)人員的野外工作以及數(shù)據(jù)處理，同時(shí)感謝中國地震局地球物理研究所數(shù)據(jù)備份中心對(duì)于固定臺(tái)站數(shù)據(jù)的處理.本文圖件主要由GMT(Wessel et al., 2013)程序完成.