中國東北諾敏河火山群地區(qū)面波層析成像研究

侯頡， 吳慶舉， 余大新， 葉慶東

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 1000812 中國地震局第一監(jiān)測中心， 天津 300180

0 引言

中國東北地區(qū)位于中亞造山帶東段，東臨西太平洋俯沖帶，屬于天山—興蒙造山系東部(潘桂棠等，2009).該地區(qū)古亞洲洋構(gòu)造帶和環(huán)太平洋構(gòu)造帶的疊加作用最為顯著.在軟流圈上涌和巖漿底侵的影響下，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了大量的新生代火山，如五大連池火山、長白山火山、阿爾山火山和諾敏河火山(Meng，2003；Wu et al.，2002；Zorin，1999).這些火山遠離西太平洋板塊的俯沖邊界，是典型的板內(nèi)火山.目前對板內(nèi)火山成因的研究還存在諸多爭議，主要的三種觀點包括：1)大地幔楔模型認為，該地區(qū)火山活動是由于俯沖的太平洋板塊滯留在地幔轉(zhuǎn)換帶中，俯沖板塊攜帶的水分釋放到其上方的大地幔楔，地幔楔物質(zhì)在水的作用下產(chǎn)生熔融，進而熱濕物質(zhì)上涌(Lei and Zhao，2005，2006；Huang and Zhao，2006；Zhao，2004；Zhao et al.，2007，2009；雷建設(shè)等，2018)；2)地幔物質(zhì)上涌產(chǎn)生的減壓熔融模型認為，高速的俯沖板塊將低速的軟流圈熱物質(zhì)拖拽至地幔深處，再由于板塊后撤，熱物質(zhì)在板塊空缺處上涌，在減壓熔融的作用下形成火山活動(Tang et al.，2014; Tao et al.，2018)；3)小規(guī)模的地幔對流模型認為，由于熱量的增加，軟流圈中的地幔物質(zhì)密度減小，導(dǎo)致上部物質(zhì)的密度大于下部物質(zhì)的密度，最終上部巖石圈地幔相對冷的物質(zhì)下沉，下部軟流圈熱的物質(zhì)上升，這個過程的構(gòu)造表現(xiàn)為巖石圈減薄、巖漿活動以及巖石圈應(yīng)力場變化(Guo et al.，2015，2016).

諾敏河火山群地處呼倫貝爾市東部的鄂倫春自治旗，位于中亞造山帶東側(cè)(圖1).以往的地震學(xué)研究表明，中國東北地區(qū)的地幔普遍存在俯沖的西太平洋板塊(Huang and Zhao，2006；Zhao et al.，2009；Li and Van Der Hilst，2010；Wei et al.，2012；田有等，2019)，且該地區(qū)下地殼和上地幔低速異常明顯(Guo et al.，2014，2015，2016；Kang et al.，2016；Li et al.，2012；Liu et al.，2017；Tang et al.，2014；Tao et al.，2014；Zhang et al.，2012，2014，2016；Zhao et al.，2009；張風(fēng)雪等，2013，2014；潘佳鐵等，2014；張風(fēng)雪和吳慶舉，2019).地震層析成像顯示，阿爾山與長白山火山上地幔存在明顯的低速異常，該異?？裳由斓缴系蒯＿^渡帶，至少有400 km深(Zhao，2004；Lei and Zhao，2005；Zhao et al.，2007，2009；Lei et al.，2013)；而諾敏河和五大連池火山下的上地幔低速異常僅限于100 km以淺(張風(fēng)雪等，2013，2014).接收函數(shù)結(jié)果顯示諾敏河火山和小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶的地殼厚度和波速比具有相似的空間分布，具體表現(xiàn)在沿著火山帶延展方向具有較薄的地殼厚度，高波速比也主要集中于靠近火山帶地區(qū)，向諾敏河和小古里河火山延展(謝振新等，2018)；XKS分裂結(jié)果亦顯示兩個火山地區(qū)的臺站下存在多個無效分裂(強正陽和吳慶舉，2015，2019).地球化學(xué)研究表明，諾敏河火山噴發(fā)時間不早于晚更新世早期(123 kaB.P.)(馬保起等，2006)，五大連池火山噴發(fā)時間最早為中更新世早期(560～270 kaB.P.)(夏林圻，1990)，二者噴發(fā)年代時間相近(Zhao et al.，2014)，且諾敏河火山與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶均為鉀質(zhì)火山巖系，而與同處興蒙造山帶的阿爾山鈉質(zhì)火山形成強烈對比(白志達等，2005；邵濟安等，2008，2009；趙勇偉等，2008；趙勇偉和樊祺誠，2011；樊祺誠等，2012).綜上認為，諾敏河與五大連池火山群在地震學(xué)和地球化學(xué)角度具有一定的相似性，兩者之間可能存在緊密聯(lián)系.

以往在東北地區(qū)進行研究所用的臺站包括綏滿臺陣(2009-06—2011-09)、鄂虎臺陣(2010-06—2011-09)、NECESSArray臺站(2009-09—2011-08)和部分固定臺站，其中固定臺站分布較稀疏，NECESSArray臺站未覆蓋諾敏河火山群，只有鄂虎臺陣穿過了諾敏河和五大連池火山群，但由于其為一線性臺陣，除沿剖面展布方向外，地震層析成像缺乏其他方向的有效約束，不能很好地捕捉到臺陣剖面以外與諾敏河和五大連池火山群有關(guān)的速度異常.因此，雖然前人研究推測松遼盆地存在與火山活動有關(guān)的巖石圈拆沉(Guo et al.，2016；Wei et al.，2019)，但對于位于松遼盆地北緣的諾敏河火山的巖石圈地幔是否同樣存在大范圍拆沉不得而知；雖然東北地區(qū)廣泛存在可能代表了巖漿物質(zhì)向上運移的下地殼、上地幔低速異常(Guo et al.，2014，2015， 2016；Kang et al.，2016；Li et al.，2012；Liu et al.，2017；Tang et al.，2014；Tao et al.，2014；Zhang et al.，2012，2014，2016；Zhao et al.，2009；張風(fēng)雪等，2013，2014；潘佳鐵等，2014)，但對于諾敏河和五大連池兩個火山群之間地殼、上地幔范圍是否同樣存在相互連通的低速異常甚至地殼巖漿囊尚不清楚.本文擬利用布設(shè)于諾敏河火山群地區(qū)的43個流動臺站(XM臺陣)所觀測的近兩年的連續(xù)地震數(shù)據(jù)進行區(qū)域面波層析成像，以獲取諾敏河火山群地殼、上地幔結(jié)構(gòu)，為探討該地區(qū)板內(nèi)新生代火山成因提供依據(jù).通過提取雙臺間基階瑞雷波相速度10～80 s周期范圍的頻散曲線，運用Yanovskaya和Ditmar(1990)、Ditmar和Yanovskaya(1987)提出的面波層析成像方法反演了諾敏河火山群地區(qū)0.5°×0.5°分辨率的二維相速度分布圖，然后利用Herrmann和Ammon(2004)的線性反演方法對每個網(wǎng)格點下的瑞雷波相速度進行反演，得到該網(wǎng)格點下方一維S波速度結(jié)構(gòu)，之后通過線性插值得到了諾敏河火山群地區(qū)地殼和上地幔S波速度結(jié)構(gòu)，并在已有資料和認識的基礎(chǔ)上討論了其地質(zhì)意義.

1 數(shù)據(jù)收集與選取

2015年6月—2017年5月，中國地震局地球物理研究所以諾敏河火山群為中心布設(shè)了43套寬頻帶地震儀，用于連續(xù)數(shù)據(jù)觀測.臺站分布參見圖1，臺間距為13～390 km，使用的地震計包括GURALP CMG-3ESPC、GURALP CMG-3T、Nanometrics Trillium G120PA三種，且均采用GPS授時和定位，保證了時間服務(wù)的一致性.

圖1 研究區(qū)臺站位置分布藍色的三角表示流動地震臺的位置，紅色圓點表示鄰近城市，紅色三角表示火山分布，黑色實線和虛線分別代表活動斷裂和縫合線(鄧起東等，2002)，灰色虛線表示了南北重力梯度帶位置，粉色區(qū)域為新生代玄武巖(Guo et al., 2016)，褐色曲線為松遼盆地邊界，紅色直線分別為三條測線AA′、BB′和CC′，XMOB為興蒙造山帶，SLB為松遼盆地. 左上角為研究區(qū)在大比例尺地圖中的位置，藍色實線框表示研究區(qū)位置，褐色曲線表示太平洋板塊俯沖等深線，SC為西伯利亞克拉通，CAOB為中亞造山帶，NCC為華北克拉通.Fig.1 Topographic map of the study area showing seismic stations used in the study (blue triangles)Red dots indicate neighboring cities, and red triangles indicate volcano distribution. The black dash and solid lines indicate suture zones and active faults respectively (Deng et al., 2002). The wide grey solid line indicate the north-south gravity gradient line. Pink area denotes the distribution of the Cenozoic basalts (Guo et al., 2016). The brown curve is the boundary of Songliao Basin. The red straight lines are AA′, BB′and CC′ respectively. XMOB, Xingmeng Orogenic Belt. SLB, Songliao Basin. The up-left insect shows the study area on a large scale, in which the blue solid rectangle outlines the study area, and the isobaths curve of the subducting Pacific plate is marked by brown lines. SC, Siberia Craton. CAOB, Central Asian Orogenic Belt. NCC, North China Craton.

本文采用基于經(jīng)典射線理論的雙臺法測量基階瑞雷波相速度.數(shù)據(jù)選取過程參照USGS的地震目錄和震源參數(shù)，要求震中距15°～100°、震級5.5～7.5、震源深度小于70 km，且雙臺中遠臺到近臺的方位角與遠臺到地震事件的方位角之間的偏差小于5°.最終共篩選出了450個符合上述標準的全球地震事件，圖2顯示這些地震事件絕大多數(shù)集中在環(huán)太平洋，但相對于研究區(qū)臺站整體覆蓋較好，使得雙臺法路徑分布更均勻，分辨能力更好.

圖2 地震事件分布紅色五角星代表研究區(qū)中心，30° 、60° 和90° 的圓圈分別代表震中距為30° 、60° 和90° 的范圍，藍色曲線代表板塊邊界.Fig.2 Distribution of eventsThe red pentagram corresponds to the center of study area, and the circles of 30° , 60° and 90° represent the epicentral distance between the earthquake epicenter and the station are 30°,60° and 90° respectively. The blue lines represent the plate boundaries.

2 相速度頻散提取

首先，對選定的原始地震波形記錄進行包括重采樣、去均值、去傾斜、濾波和去除儀器響應(yīng)等一系列預(yù)處理.圖3為三種儀器去除儀器響應(yīng)前后的波形對比，可以看到去除儀器響應(yīng)前后波形在形態(tài)上雖有差異但比較接近，因為其均表示速度記錄，只是處理前后幅值發(fā)生了變化.之后，采用基于連續(xù)小波變換的頻率-時間分析技術(shù)(Wu et al., 2009)共提取到7689條雙臺間基階瑞雷波相速度頻散曲線，并剔除明顯偏離絕大多數(shù)頻散曲線分布區(qū)間的頻散，最終得到6475條有效頻散曲線，見圖4.在20 s之內(nèi)，研究區(qū)的頻散曲線平均值相比于全球大陸平均模型AK135計算得到的頻散曲線偏高，反映研究區(qū)中上地殼速度較AK135高.

圖4 面波相速度頻散曲線黑線為全部6475條高質(zhì)量頻散曲線，紅色和綠色實線分別代表研究區(qū)頻散曲線均值和AK135模型.Fig.4 Surface-wave phase velocity dispersion curvesThe black lines are 6475 high-quality dispersion curves. The red and green solid lines represent the average phase velocity of this study and the AK135 model respectively.

對于同一路徑(臺站對)，可能會有多個滿足要求的地震事件，也就會提取出多條頻散曲線即出現(xiàn)重復(fù)路徑.本文對于重復(fù)路徑的處理方法是獨立提取每一個地震事件對應(yīng)的頻散曲線，然后對這些頻散曲線進行求平均，圖5展示了兩個處理實例.關(guān)于測量誤差的問題，這里參照Ritzwoller和Levshin(1998)、Li等(2013)類似的處理方法.對于少部分沒有重復(fù)路徑的單一頻散曲線，我們將這條單一頻散曲線與研究區(qū)所有頻散曲線平均值的標準差作為這一路徑的測量偏差；對于重復(fù)路徑很多的情形，我們求取同一路徑下多條頻散曲線的標準差作為這一路徑的平均頻散曲線的測量偏差.圖6展示了研究區(qū)內(nèi)所有路徑的平均頻散曲線的測量偏差隨周期的變化.在10～80 s內(nèi)，長周期的偏差相對比短周期要高一些，但偏差基本都在0.05～0.1 km·s-1的幅度以內(nèi).圖7相速度射線路徑分布顯示，研究區(qū)內(nèi)路徑分布密集，達到較好的方位覆蓋.

圖5 同一路徑的多條頻散曲線平均處理實例Fig.5 Two examples of average processing of multiple dispersion curves in the same path

圖6 所有頻散數(shù)據(jù)的標準差隨周期的變化Fig.6 Variation of standard deviation of all dispersion data with period

圖7 周期為10 s和80 s的相速度射線路徑分布藍色的三角表示流動地震臺的位置，兩個站點之間的黑線表示該站點對之間存在路徑覆蓋，紅線范圍表示臺站的分布區(qū)域.Fig.7 Distribution of paths for Rayleigh wave phase velocity measurements at 10 s and 80 sBlue triangles indicate seismic stations, the black line between two stations indicates that there is a path coverage between this station pair, and the red line area represents the distribution area of stations.

3 相速度層析成像

3.1 成像方法

本文采用的是Ditmar和Yanovskaya(1987)、Yanovskaya和Ditmar(1990)提出的二維反演方法得到不同周期面波的相速度分布.由圖8所示每個格網(wǎng)點的橫向空間分辨率可以看到，除邊緣地帶以及東北部和西南部射線未覆蓋的地區(qū)，研究區(qū)相速度分辨率基本在50 km以內(nèi).

圖8 周期為10 s和80 s的橫向空間分辨率顏色填充區(qū)域代表臺站分布區(qū)域.Fig.8 Horizontal resolution map at 10 s and 80 sThe color-filled area is the station distribution area.

3.2 檢測板測試

此外，本文還進行了檢測板測試，用于評估其恢復(fù)實際模型的能力.測試中，用對應(yīng)周期相速度的±5%作為速度異常值，用對應(yīng)理論走時的±5%作為隨機誤差.以10 s周期為例，其相速度平均值為3.30 km·s-1，輸入±0.16 km·s-1的速度異常值，并將標準差為±1.5 s的高斯噪聲加入到理論射線走時，然后采用與上述相同的反演方法和參數(shù)設(shè)置進行實驗.圖9表明，在0.5°×0.5°的網(wǎng)格尺寸下，射線覆蓋區(qū)域的輸入模型可以很好地恢復(fù)，表明本文的研究區(qū)劃分是可行的.

圖9 周期為10 s的檢測板測試Fig.9 Checkerboard test at 10 s

3.3 相速度分布圖

利用上述的反演方法和參數(shù)設(shè)置，反演得到了諾敏河火山群地區(qū)10～80 s周期、0.5°×0.5°分辨率的瑞雷波相速度分布，見圖10.通過計算深度敏感核，不同周期的相速度分布可以對應(yīng)不同深度的結(jié)構(gòu)變化.亦即，諾敏河火山群地區(qū)10～80 s的周期范圍的相速度分布主要反映10～150 km深度內(nèi)的地殼和上地幔結(jié)構(gòu)變化.但中、長周期面波的敏感核范圍較寬，導(dǎo)致其在深度上的分辨率較差，速度結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的深度范圍相應(yīng)較大(易桂喜等，2008；鄭晨等，2016).圖11表明，研究區(qū)20 km以淺的中、上地殼S波速度較全球平均模型AK135略高，特別是在150 km深度上下觀測到低速結(jié)構(gòu)，這與圖4基于頻散曲線所得推論一致.以下，本文將分別討論諾敏河火山群地區(qū)10～80 s周期的瑞雷波相速度分布特征.

圖11表明，10～20 s周期的瑞雷波相速度分布主要對地表和上地殼的S波速度結(jié)構(gòu)十分敏感.其相速度分布顯示，研究區(qū)東北部(XM01、XM02、XM04、XM06臺)、中部(XM19、XM22臺)、西部(XM30臺)及東南部(XM39、XM43)地區(qū)附近均表現(xiàn)為低速異常，尤其東北部地區(qū)低速異常最為顯著，見圖10.

30～40 s周期的瑞雷波相速度分布主要反映40～60 km深度內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)及其橫向變化，見圖11.圖10該周期相速度分布顯示，研究區(qū)東北部(XM01、XM02、XM04、XM06臺)、西部(XM30臺)及東南部地區(qū)附近仍然為低速異常，而中部的諾敏河火山群地區(qū)卻變?yōu)楦咚佼惓?>4.1 km·s-1).

此外，30 s周期時，諾敏河火山和小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶之間的研究區(qū)東北部出現(xiàn)顯著的北北西向條帶狀高速異常；40 s周期時，該條帶狀高速異常逐漸消失，研究區(qū)東北部、東南部低速異常范圍擴大至有連通趨勢.

50～80 s周期的瑞雷波相速度頻散主要反映了60～150 km深度內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)及其橫向變化，見圖11.其相速度分布顯示，研究區(qū)東北部(XM01、XM02、XM04)以及東南部(XM38、XM39、XM40、XM43臺)均表現(xiàn)為明顯的低速異常.而70～80 s周期內(nèi)，東南部的低速異常逐漸減弱，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚佼惓?>4.2 km·s-1)；而東北部的低速異常更加顯著(<3.8 km·s-1)，且與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶位置基本重合；東北部低速異常的西側(cè)(XM03、XM07臺附近)出現(xiàn)一明顯高速異常(>4.2 km·s-1).此外，50～70 s周期內(nèi)，研究區(qū)西北部(XM08臺附近)表現(xiàn)為高速異常(>4.2 km·s-1)；60～80 s周期內(nèi)，研究區(qū)中部諾敏火山群附近表現(xiàn)為明顯的低速異常，且異常隨周期增大越發(fā)明顯，見圖10.

圖10 研究區(qū)不同周期瑞雷波相速度分布Fig.10 Phase velocity maps of Rayleigh wave in the study regionThe number in the upper left corner represents the period (s).

圖11 不同周期下瑞雷波相速度對S波的深度敏感核黑線代表計算敏感核的初始模型，它是利用研究區(qū)頻散曲線均值(圖4紅色曲線)反演得到的模型.Fig.11 Depth sensitivity kernels of Rayleigh wave phase velocity at different periodsThe black line represents the initial model for calculating the depth sensitivity kernels, which is the model retrieved by using the mean value of the dispersion curve in the study area (the red curve in Fig.4)

4 速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果

4.1 一維速度結(jié)構(gòu)反演

在獲取研究區(qū)每個網(wǎng)格節(jié)點相速度分布的基礎(chǔ)上，采用Herrmann和Ammon(2004)的線性反演方法對研究區(qū)0.5°×0.5°的每一個網(wǎng)格節(jié)點逐一開展一維S波速度結(jié)構(gòu)反演.反演采用層狀各向同性一維模型作為初始模型，其中地殼初始模型為在CRUST1.0(Laske et al.，2013)的基礎(chǔ)上，利用P波接收函數(shù)的結(jié)果(謝振新等，2018)對地殼厚度進行約束，即將地殼各層厚度按原比例放大或者縮小，最終使初始模型的地殼厚度與P波接收函數(shù)的結(jié)果相等.地幔模型則采用PREM模型(Dziewonski and Anderson，1981)，其中35～50 km深度分3層，每層5 km；50 km深度以下每層為10 km.本文采用線性化反演算法，通過30次迭代將理論頻散和離散頻散點進行擬合，擬合情況見圖12.從圖12可以看出，最終反演模型計算得到的理論頻散曲線與真實模型的頻散點能夠較好地吻合，說明反演結(jié)果是可靠的.

4.2 三維速度結(jié)構(gòu)

本文通過對一維S波速度線性插值，得到研究區(qū)的三維S波速度結(jié)構(gòu)，見圖13.從圖10和圖13可以看出，不同深度的S波速度異常與對應(yīng)敏感周期相速度異常具有較好的對應(yīng)關(guān)系.

20 km水平切片顯示，研究區(qū)東北部接近小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶地區(qū)(XM01、XM02、XM03、XM04和XM06臺)、中部諾敏河火山群地區(qū)(XM15、XM19和XM22臺)、最西部(XM30臺附近)以及東南部接近松遼盆地地區(qū)(XM38、XM39、XM40、XM43臺)均表現(xiàn)為明顯的低速異常(<3.6 km·s-1)，而西北部(XM08臺附近)表現(xiàn)為高速異常(>4.0 km·s-1).

圖12 研究區(qū)內(nèi)兩個網(wǎng)格點(a)(123.5°E，50.0°N)和(b)(125.5°E，50.5°N)一維速度結(jié)構(gòu)反演左邊為初始速度模型(藍線)和反演得到的最終模型(紅線)，右邊紅色圓點為測量得到的離散頻散點，黑色實線為由最終模型計算得到的理論頻散曲線.Fig.12 1D velocity structure inversion results of two grids (a) (123.5°E，50.0°N) and (b) (125.5°E，50.5°N) in the study areaThe left figures show the initial velocity model (blue) and the final inversion model (red). The right figures show the measured discrete dispersion points (red dots) and the theoretical dispersion curves calculated by the final model.

35 km水平切片顯示，研究區(qū)西北部地區(qū)表現(xiàn)為大范圍低速異常(<4.0 km·s-1)，東南部地區(qū)表現(xiàn)為大范圍高速異常(>4.4 km·s-1)，這與潘佳鐵等(2014)在中國東北地區(qū)30 km深度切片圖得到的南北重力梯度帶附近S波速度東高西低的結(jié)論基本一致，但高低速變化并沒有嚴格按照梯度帶分隔，而是出現(xiàn)在梯度帶的東側(cè).

50 km水平切片顯示，接近火山帶地區(qū)(XM01、XM02和XM04臺)，諾敏河火山群地區(qū)(XM19和XM22臺)以及研究區(qū)西北部(XM08附近)低速異常依舊明顯(<4.1 km·s-1).而諾敏河火山與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶之間呈現(xiàn)大范圍北北西向帶狀低速異常LV3和高速異常HV2交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，50 km水平切片紅色虛線框內(nèi)所示的高低速條帶狀異常的整體空間分布與謝振新等(2018)得到的研究區(qū)內(nèi)南北向或北北西向帶狀分布的地殼厚度最薄區(qū)域基本重合，其延展方向與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶基本一致.

隨著深度的的增加，80 km和100 km水平切片顯示，研究區(qū)速度異常出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即接近火山帶地區(qū)(XM01、XM02臺)低速異常不再明顯，諾敏河火山群地區(qū)(XM19、XM22和XM31臺)，研究區(qū)西北部(XM08臺)和中北部(XM07臺)附近甚至出現(xiàn)小尺度的高速結(jié)構(gòu)HV1、HV3和HV5，這與同期遠震有限頻體波成像得到的在諾敏河火山群以及研究區(qū)東北部靠近火山帶的位置出現(xiàn)的低速異常僅限于100 km深度之上的結(jié)論基本一致(張風(fēng)雪等，2013，2014；張風(fēng)雪和吳慶舉，2019).而諾敏河與五大連池火山群之間開始顯現(xiàn)出大范圍低速異常LV3.

150 km水平切片顯示，研究區(qū)東北部接近火山帶地區(qū)(XM01、XM02、XM04臺)，諾敏河火山群地區(qū)(XM19、XM22和XM31臺)以及諾敏河與五大連池火山群之間的速度異常再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，即與接近火山帶區(qū)域相同，諾敏河火山群地區(qū)重新顯示為低速異常LV4，80 km和100 km水平切片諾敏河與五大連池火山群之間明顯的低速異常LV3轉(zhuǎn)變?yōu)?50 km水平切片的高速異常HV4.

圖14為本文選取的三條剖面，剖面位置參見圖1和圖13，其中剖面AA′穿越諾敏河火山群并向東北方向延伸至小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶附近，與諾敏河火山群與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶之間北北西向條帶狀高速異常HV2近乎垂直；剖面BB′橫穿諾敏河火山群附近的三個高速異常HV1、HV3、HV4，并與南北重力梯度帶近乎垂直；剖面CC′穿越諾敏河和五大連池火山群之間的低速異常LV3，并向北北東方向延伸，橫穿北西向斜上下的高速異常HV5，以此來關(guān)注諾敏河火山群、小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶和南北重力梯度帶附近的S波速度變化以及研究區(qū)上地幔多個高速異常的深度范圍.圖14顯示，研究區(qū)上地幔中存在多個高速異常結(jié)構(gòu)HV1、HV2、HV3、HV4和HV5(約4.8～5.1 km·s-1)，分別位于不同的深度范圍內(nèi)，其中HV2分布最淺，其向淺部一直延伸到莫霍面深度附近，向下終止于50～80 km深度；HV1、HV5和HV3次之，深度范圍分別為為60～120 km、80～150 km以及90～150 km；HV4分布范圍最深，起始于120 km，向下延伸至150 km左右.這些不同深度的高速異常之上均存在明顯的低速異常，剖面CC′顯示高速異常HV4之上的低速異常LV3存在向北北東向延展上升的趨勢，其向下可延伸至150 km深度左右并越過研究區(qū)南部邊界，向上于49.5°～50.5°范圍內(nèi)到達下地殼底部，這一區(qū)域正是諾敏河與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶之間南北向或北北西向帶狀分布的研究區(qū)地殼厚度最薄區(qū)(謝振新等，2018).50 km水平切片顯示，LV3在到達50～60 km深度范圍之后延展方向向西轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)為近北北西向，并且在124°E附近向西南方向延伸，與諾敏河上地幔頂部的低速異常相連通.在剖面AA′上亦可看到，到達淺部50～60 km深度范圍后，LV3存在沿AA′剖面向西南方向上移的趨勢，并最終指向諾敏河火山群下地殼邊界處，暗示LV3可能代表了上升的軟流圈物質(zhì).

圖13 研究區(qū)不同深度S波速度結(jié)構(gòu)切片100 km水平切片中藍色三角形代表XKS無效分裂結(jié)果(強正陽和吳慶舉，2019)，粉色直線分別為三條剖面AA′，BB′和CC′.Fig.13 S-wave velocity profiles at different depths in the study regionOn 100 km depth profile, blue triangles represent XKS invalid split result (Qiang and Wu， 2019), the pink straight lines are AA′, BB′ and CC′ respectively.

圖14 剖面AA′、BB′和CC′(a,b,c)對應(yīng)的地表地形高度、莫霍面深度以及S波速度結(jié)構(gòu)剖面位置見圖1和圖13，S波速度剖面中紅色曲線為莫霍面(謝振新等，2018)，藍色箭頭代表拆沉方向，紅色箭頭代表熱物質(zhì)上涌方向.本文采用的長周期面波數(shù)據(jù)對地殼淺部和淺地表的速度結(jié)構(gòu)分辨能力較差，因此將剖面中各節(jié)點CRUST1.0模型第一層以淺深度范圍的反演結(jié)果去除，不做深入討論.Fig.14 Terrain height, Moho surface depth and S-velocity map plotted along the profile AA′, BB′ and CC′ (a,b,c)The positions of the profiles are shown in Fig.1 and 13. The red curve in the S-wave velocity profile is Moho surface(Xie et al., 2018). The blue and red arrows represent the direction of lithospheric delamination and hot material upwelling respectively.The long period surface wave data used in this paper have poor resolution on the velocity structure of the shallow crust and the shallow surface. Therefore, the inversion results of the first layer depth range of CRUST1.0 model at each node in the profile are removed without further discussion.

此外，剖面AA′和BB′內(nèi)諾敏河火山群中下地殼深度范圍內(nèi)存在一個小尺度的低速異常LV1(約3.7 km·s-1)，橫向分布范圍在123—124 °E之間.剖面BB′內(nèi)地殼低速范圍從南到北逐漸增大，且在南北重力梯度帶附近顯著增大，這與人工地震測深(楊寶俊等，1996)、噪聲成像(潘佳鐵等，2014)、接收函數(shù)(謝振新等，2018)等研究得到的“地殼厚度在南北重力梯度帶東西兩側(cè)存在明顯差異，且在梯度帶附近顯著增厚”的結(jié)論具有很好的一致性.

5 討論

5.1 地殼速度結(jié)構(gòu)特征

層析成像結(jié)果顯示研究區(qū)的地殼、上地幔速度存在明顯的橫向不均勻性.在20 km深度附近，結(jié)合構(gòu)造分區(qū)來看，研究區(qū)地處東北地區(qū)的盆山過渡區(qū)，地形高差較大，西部海拔達到1000 m以上，東部接近松遼盆地海拔下降至300 m，整體地勢西高東低，見圖1及圖14b.而造山帶表層的波速比沉積層中的波速要大得多，這解釋了20 km深度切片內(nèi)東南部接近松遼盆地地區(qū)的低速異常以及西北部的高速異常，表明該深度附近部分地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)與構(gòu)造分區(qū)具有一定的相關(guān)性.而由于受新生代火山出露的影響，接近小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶區(qū)域以及諾敏河火山群地區(qū)均表現(xiàn)為明顯的低速異常.此外，研究區(qū)最西部XM30臺附近表現(xiàn)為明顯的低速異常，結(jié)合XM30臺站地殼波速比較高(Vp/Vs=1.84)(謝振新等，2018)，推測該區(qū)域地殼范圍內(nèi)可能存在部分熔融或鐵鎂物質(zhì)升高.進而推測研究區(qū)中、上地殼S波速度分布特征可能受到包括構(gòu)造分區(qū)形態(tài)、新生代火山出露以及部分熔融或鐵鎂物質(zhì)含量在內(nèi)的多種因素控制.

35 km深度附近，研究區(qū)東南部地區(qū)普遍表現(xiàn)為高速異常，西北部地區(qū)普遍顯示為低速異常.前人的研究結(jié)果顯示，研究區(qū)東南部近松遼盆地地殼較薄(31 km左右)，西部近大興安嶺褶皺帶地殼較厚(大于40 km)(Guo et al.，2014，2015；Tao et al.，2014；張廣成等，2013)，研究區(qū)位于兩者之間的過渡區(qū)域，地殼厚度范圍在32～38 km之間(謝振新等，2018).研究區(qū)東南高西北低的速度結(jié)構(gòu)暗示，35 km深度附近研究區(qū)西北部尚處于下地殼，而東南部已進入上地幔頂部.前人通過人工地震測深(楊寶俊等，1996)、噪聲成像(潘佳鐵等，2014)、接收函數(shù)(謝振新等，2018)等研究認為“南北重力梯度帶是地殼厚度的陡變帶，西側(cè)比東側(cè)厚3～5 km”，而本研究得到的高低速差異并不以南北重力梯度帶為界，梯度帶東側(cè)接近小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶區(qū)域(XM01、XM02和XM03)以及諾敏河火山群地區(qū)(XM22臺附近)受新生代火山出露的影響同樣表現(xiàn)為低速異常.故推測，研究區(qū)下地殼S波速度分布特征可能受到地殼厚度和火山分布共同影響.

張風(fēng)雪和吳慶舉(2019)利用遠震P波成像方法，在諾敏河和五大連池火山群200～300 km深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個水平展布的低速異常體，并認為這可能是兩個火山群共用的地幔巖漿房.除了存在地幔巖漿房，軟流圈物質(zhì)上涌在地殼內(nèi)部同樣可以形成巖漿房(邵濟安和張文蘭，2008).前人研究表明，長白山火山群地區(qū)存在以高波速比為特征的地殼巖漿囊(朱洪翔等，2017)，而五大連池下可能存在殼幔雙層巖漿房(Li et al.，2016).但由于遠震體波走時殘差對地殼結(jié)構(gòu)的約束有限，張風(fēng)雪和吳慶舉(2019)在松遼盆地北緣的研究無法證實兩個火山群地殼巖漿房存在與否.本文使用的基階面波數(shù)據(jù)對于地殼、上地幔具有很好的約束，我們在諾敏河火山20～30 km深度的中、下地殼范圍內(nèi)觀測到一個小尺度低速異常LV1，見圖14(a、b)，結(jié)合諾敏河火山群地區(qū)地殼波速比明顯升高，達到1.80以上(謝振新等，2018)，推測該低速異?？赡苁菐r石圈拆沉導(dǎo)致軟流圈熱物質(zhì)上涌形成的諾敏河火山群地殼巖漿房.但與諾敏河和五大連池火山群共用一個地幔巖漿房不同(張風(fēng)雪和吳慶舉，2019)，雖然研究區(qū)內(nèi)距五大連池火山最近的觀測臺站(XM34、XM39)距五大連池火山尚有80～85 km的直線距離，但圖14(a、b)表明該低速異常的范圍僅限于123—124 °E之間，與反演獲得的小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶西側(cè)的地殼低速橫向上并不連通，預(yù)示這兩個火山的地殼巖漿囊并不相連貫通.

5.2 上地幔速度結(jié)構(gòu)特征及其對諾敏河和五大連池火山群成因的啟示

本研究的成像結(jié)果顯示，諾敏河火山群地區(qū)上地幔40～150 km深度范圍內(nèi)存在多個高速異常HV1、HV2、HV3、HV4和HV5，并且在這些高速異常結(jié)構(gòu)之上均出現(xiàn)明顯的低速異常.一般來說，高速異常指示著低溫且堅硬的物質(zhì)(如俯沖板塊或巖石圈)，而低速異常指示著高溫且較軟的物質(zhì)(如軟流圈熱物質(zhì)或巖漿).前人研究結(jié)果揭示，大興安嶺地區(qū)在中生代發(fā)生過巖石圈拆沉過程(Zhang et al.，2010；Li et al.，2013；Chen et al.，2017)，松遼盆地下方存在與火山活動有關(guān)的巖石圈拆沉(Guo et al.，2016；Wei et al.，2019).在諾敏河火山東南側(cè)70～130 km深度范圍內(nèi)，張風(fēng)雪和吳慶舉(2019)的P波層析成像得到的P波高速特征與本文揭示的S波低速結(jié)構(gòu)，表明在該深度范圍內(nèi)，諾敏河火山東南側(cè)地區(qū)可能存在部分熔融物質(zhì).加之XKS分裂得到的上地幔各向異性結(jié)果顯示諾敏河火山東南側(cè)地區(qū)存在多個無效分裂(強正陽和吳慶舉，2019)，可能反映該區(qū)域在70～130 km深度范圍可能發(fā)生了巖石圈拆沉(Walker et al.，2005；Long et al.，2010).巖石圈的拆沉可能又引起軟流圈物質(zhì)的上涌和地殼的隆升(Nelson，1992；Guo et al.，2016).本研究的層析成像結(jié)果顯示，諾敏河火山東南側(cè)上地幔高速異常HV4之上存在可上下連通的低速異常LV3，其向下可延伸至150 km以深并向南越過研究區(qū)邊界，推測其有繼續(xù)向研究區(qū)南側(cè)更深范圍延伸的趨勢，向上指向研究區(qū)的地殼最薄區(qū)域(謝振新等，2018)以及諾敏河火山群在地表的出露位置，表明LV3可能代表小尺度地幔對流中上涌的軟流圈熱物質(zhì).故我們將本研究中獲得的“上低下高，低速連通”的速度異常結(jié)構(gòu)分別解釋為：深部的高速異常體為拆沉的巖石圈物質(zhì)，高速異常體出現(xiàn)在不同深度，暗示拆沉在時空上是不均勻的，拆沉發(fā)生越早，高速異常體出現(xiàn)的深度越深，其中50km深度切片觀測到的北北西向條帶狀高速異常HV2，在縱向上從莫霍面附近一直延伸到50～80 km深度范圍，推測其為拆沉后的巖石圈的殘留；淺部的低速異?？赡転樯嫌康能浟魅ξ镔|(zhì)，深部的軟流圈物質(zhì)沿著上下連通的低速異常延展方向不斷向上運移，進而為淺部的低速異常提供熱源.

此外，50 km、80 km和100 km水平切片以及剖面AA′和CC′顯示，低速異常LV3在70～140 km的深部范圍內(nèi)呈北北東向展布，而到達50～60 km深度附近延展方向向西轉(zhuǎn)折，呈北北西向展布，其深部北北東、淺部北北西的延展方向與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶南北向或北北西向的延展方向大致相同.已有的層析成像研究結(jié)果顯示，中國東北地區(qū)的多座火山群在地幔深處共用同源的熱物質(zhì)(田原等，2017；Lü et al., 2019；張風(fēng)雪和吳慶舉，2019).地球化學(xué)研究結(jié)果顯示，諾敏河火山與五大連池火山均屬于鉀質(zhì)系列火山，且二者的地幔橄欖巖捕虜體中均發(fā)現(xiàn)含有金云母等富鉀礦物，因此不排除諾敏河和五大連池火山群在深部有同源巖漿的可能性.諾敏河火山巖的鉀含量低于五大連池火山巖，兩火山噴發(fā)年代時間相近，且諾敏河第四紀火山活動具有由東向西發(fā)展的趨勢(樊祺誠等，2012；李霓等，2012；趙勇偉等，2013；Zhao et al.，2014).自中生代晚期以來，中國東北地區(qū)由于俯沖板塊的轉(zhuǎn)向，構(gòu)造活動由擠壓環(huán)境變?yōu)閿U張環(huán)境(Wang et al.，2006)，而巖石圈拉伸不僅導(dǎo)致巖石圈地幔深部含金云母石榴石橄欖巖發(fā)生低程度減壓熔融(5%～7%)(Zou et al., 2003)，為區(qū)內(nèi)鉀質(zhì)火山巖提供了巖漿來源，還導(dǎo)致巖石圈發(fā)生了大范圍的減薄和消減(Li et al., 2012；潘佳鐵等，2014)，諾敏河火山與小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶地區(qū)富鉀巖石圈地幔開始了自西向東的拆沉(Zhao et al.，2014)，為小尺度地幔對流提供了通道和條件.大規(guī)模新生代玄武巖巖漿隨之沿著南北或北北西走向的火山帶上涌至巖石圈，底侵在殼幔邊界和下地殼中(Zorin，1999；Wu et al.，2002；Meng，2003；Zhang et al.，2010)，隨著底侵作用的增強，熔融的巖漿通過早期形成的斷裂上侵，導(dǎo)致了五大連池、諾敏河地區(qū)爆發(fā)大規(guī)模的巖漿活動.

6 結(jié)論

本文通過2015年6月至2017年5月期間在諾敏河火山群地區(qū)布設(shè)的43個流動觀測臺站，采用小波變換頻時分析技術(shù)(Wu et al.，2009)提取了6475條高質(zhì)量的基階相速度頻散曲線，利用二維線性反演方法(Ditmar and Yanovskaya，1987；Yanovskaya and Ditmar，1990)揭示了研究區(qū)10～80 s周期0.5°×0.5°分辨率的二維相速度分布，并采用面波反演方法獲得了中國東北諾敏河火山群地區(qū)地殼、上地幔三維S波速度結(jié)構(gòu).在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，得出以下三點認識：

(1)諾敏河火山群中、下地殼范圍內(nèi)存在一個小尺度低速異常，推測為軟流圈熱物質(zhì)上涌形成的地殼巖漿房，且由于其橫向上缺乏連通性，推測其與五大連池火山群地殼巖漿房并不相連貫通.

(2)諾敏河火山群60～120 km深度范圍，諾敏河和小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶之間40～80 km深度范圍，研究區(qū)西北部地區(qū)90～150 km深度范圍，諾敏河與五大連池火山之間120 km以下以及研究區(qū)中北部80～150 km深度范圍均顯示為高速異常，且其上均出現(xiàn)明顯的低速異常，這種“上低下高”的結(jié)構(gòu)模式暗示了這些不同深度的高速異?？赡苁遣煌刭|(zhì)時期拆沉的巖石圈地幔及其殘留，上方的低速異?？赡転樯嫌康能浟魅ξ镔|(zhì)，在諾敏河火山群地區(qū)可能發(fā)生了巖石圈拆沉作用.

(3)諾敏河火山群東側(cè)存在上下連通的低速異常，該低速異常連通了軟流圈和研究區(qū)地殼減薄區(qū)域以及諾敏河火山群在地表的出露位置，表明該位置可能存在上升的軟流圈物質(zhì)，且物質(zhì)的上升方向和小古里河—科洛—五大連池—二克山火山帶延展方向基本一致，結(jié)合前人的研究結(jié)果分析，推測該低速異?？赡転橹Z敏河和五大連池火山群提供了共享的巖漿熱物質(zhì).

致謝感謝參與到野外臺站勘選、布設(shè)和維護中的所有人員.文中部分圖件使用GMT制作(Wessel and Smith, 1998).