范興利 陳棋福 郭震

1. 南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系，深圳 5180552. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1000293. 中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 1000294. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 1000495. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458

中、新生代以來(lái)，太平洋板塊和菲律賓板塊向歐亞板塊的持續(xù)俯沖碰撞產(chǎn)生了狹長(zhǎng)的俯沖帶和一系列沿著俯沖帶走向分布的島弧火山，形成了西太平洋地區(qū)典型的溝-弧-盆構(gòu)造體系(圖1a)。晚新生代以來(lái)，西太平洋地區(qū)還發(fā)育眾多遠(yuǎn)離俯沖帶分布的陸內(nèi)火山，包括中國(guó)東北地區(qū)的長(zhǎng)白山火山、龍崗火山、鏡泊湖火山等(Liuetal., 2001)，其中位于中朝邊境，距離日本海溝約1200km的長(zhǎng)白山火山是中國(guó)境內(nèi)現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最為完整和潛在噴發(fā)危險(xiǎn)最強(qiáng)的一座活火山(洪漢凈等, 2007; Stone, 2010; 劉若新, 2015; 劉嘉麒等, 2015)。長(zhǎng)白山火山歷史上曾發(fā)生多次劇烈噴發(fā)，造成了國(guó)際性的影響，約在公元946年的“千年大噴發(fā)”被認(rèn)為是全新世以來(lái)全球最大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)事件之一(Weietal., 2013; 劉嘉麒等, 2015; Oppenheimeretal., 2017)，其噴出的火山灰在日本北海道地區(qū)沉降了數(shù)厘米厚(Horn and Schmincke, 2000)，甚至在北極格林蘭的冰芯中都有記錄(Sunetal., 2014)。2002～2005年間，長(zhǎng)白山火山處于一個(gè)較為活躍的時(shí)期，火山地震活動(dòng)性的增加(吳建平等, 2005; 明躍紅等, 2007)、GPS和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)觀察到的地表隆起(胡亞軒等, 2004; 李克等, 2009)以及溫泉?dú)怏w地球化學(xué)組分異常(高玲等, 2006)表明這個(gè)時(shí)期長(zhǎng)白山火山下方有巖漿活動(dòng)的跡象，似乎證實(shí)并加劇了該火山可能出現(xiàn)再次噴發(fā)的危險(xiǎn)性(洪漢凈等, 2007; Stone, 2010, 2011, 2013; Xuetal., 2012; 劉嘉麒等, 2015; Witze, 2016)。此外，距離長(zhǎng)白山火山直線距離約140km的朝鮮核爆事件(Hongetal., 2016)與西太平洋俯沖帶周邊發(fā)生的諸如2011年日本東北近海9.0級(jí)大地震(Leietal., 2013; Liuetal., 2017a)對(duì)長(zhǎng)白山火山的擾動(dòng)影響也受到了相應(yīng)的關(guān)注。

作為中國(guó)乃至東北亞地區(qū)規(guī)模最大和最具潛在噴發(fā)危險(xiǎn)的長(zhǎng)白山火山已成為研究西太平洋地區(qū)陸內(nèi)火山成因及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的天然實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)，前人圍繞長(zhǎng)白山火山開(kāi)展了大量的地球物理和地球化學(xué)研究工作并取得了豐碩的成果(詳見(jiàn)郭文峰等(2015)、Zhangetal. (2018)和陳棋福等(2019)的綜述)，例如區(qū)域大尺度地震層析成像研究(Lei and Zhao, 2005; Tangetal., 2014; Guoetal., 2018; Yangetal., 2019; Zhangetal., 2019; 田有等, 2019)揭示出長(zhǎng)白山火山下方存在大規(guī)模的地幔熱物質(zhì)上涌，表明整座火山存在深部的巖漿源補(bǔ)給?；鹕綆r石地球化學(xué)、地球物理深部探測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬等多學(xué)科研究均表明長(zhǎng)白山火山的巖漿起源與西太平洋板塊的深俯沖作用(圖1a)密切相關(guān)(Zhao, 2004; Lei and Zhao, 2005; Tangetal., 2014; 劉嘉麒等, 2015; Tianetal., 2016; Chenetal., 2017; Guoetal., 2018; 雷建設(shè)等, 2018; 徐義剛等, 2018; Zhangetal., 2019; 田有等, 2019; Yang and Faccenda, 2020)。然而目前大多數(shù)地震學(xué)層析成像研究聚焦于探討長(zhǎng)白山火山的深部地幔起源，對(duì)于其淺部殼幔巖漿系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，而近年來(lái)已有的地球物理探測(cè)結(jié)果對(duì)長(zhǎng)白山火山地殼巖漿房的空間分布位置、幾何形態(tài)以及部分熔融程度等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)仍存在較大分歧。因此本研究通過(guò)搜集長(zhǎng)白山火山及鄰區(qū)盡可能多的地震臺(tái)站數(shù)據(jù)，采用背景噪聲成像方法來(lái)獲取研究區(qū)域高精度的Rayleigh面波相速度結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步精細(xì)刻畫(huà)長(zhǎng)白山火山殼幔巖漿系統(tǒng)提供重要的地震學(xué)觀測(cè)依據(jù)。

1 長(zhǎng)白山火山殼幔巖漿系統(tǒng)的地球物理探測(cè)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以來(lái)，前人利用多種地球物理方法對(duì)長(zhǎng)白山火山殼幔巖漿系統(tǒng)進(jìn)行了探測(cè)研究。湯吉等(2001)利用在長(zhǎng)白山火山區(qū)呈傘狀分布的61個(gè)大地電磁測(cè)點(diǎn)觀測(cè)資料獲得的反演結(jié)果表明，在長(zhǎng)白山天池火山口以北約7km下方12～45km深度位置存在一個(gè)低阻體并有向下延伸的趨勢(shì)，推測(cè)可能反映了地殼巖漿囊的存在。仇根根等(2014)利用跨長(zhǎng)白山天池火山口長(zhǎng)約100km的北偏東向大地電磁測(cè)深觀測(cè)數(shù)據(jù)，反演獲得的結(jié)果在電性結(jié)構(gòu)不均勻性和由淺至深存在多個(gè)低阻體特征方面與湯吉等(2001)的結(jié)果類(lèi)似，但是該研究顯示在長(zhǎng)白山天池火山口以北7～20km處下方大約20～50km深度位置上存在一個(gè)規(guī)模較大近似呈“Y”字型的低阻區(qū)，此結(jié)果與湯吉等(2001)獲得的電性結(jié)構(gòu)存在較大的局部差異(詳見(jiàn)仇根根等(2014)中圖11的對(duì)比)。同樣基于橫跨長(zhǎng)白山天池火山口的南北向人工地震測(cè)深剖面數(shù)據(jù)，張先康等(2002)和Songetal. (2007)獲得的與長(zhǎng)白山天池火山地殼巖漿囊結(jié)構(gòu)相關(guān)的低速體位置也存在較大差異：張先康等(2002)反演建立的P波速度結(jié)構(gòu)顯示，長(zhǎng)白山天池火山口正下方從大約9km深度一直到殼幔過(guò)渡帶位置存在一個(gè)上大下小的“串珠狀”低速體；而Songetal. (2007)給出的剖面結(jié)果則表明在長(zhǎng)白山天池火山口以北30～60km下方深度10～25km的中地殼存在一個(gè)明顯的低速體(詳見(jiàn)陳棋福等(2019)中圖5的對(duì)比)。

圖5 背景噪聲成像0.5°×0.5°檢測(cè)板恢復(fù)性測(cè)試(a)輸入模型；(b-e)不同周期(5s、15s、25s和40s)上的檢測(cè)板恢復(fù)結(jié)果Fig.5 Checkerboard recovery test for the ambient noise tomography with the input anomaly size of 0.5°×0.5°(a) input model; (b) recovered models at several different periods (5s, 15s, 25s, and 45s)

圖1 東北亞地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a)及研究區(qū)域地震臺(tái)站分布圖(b)(a)黃色帶鋸齒曲線表示海溝；白色和紫色虛線分別表示俯沖太平洋板塊和菲律賓板塊的等深線；紅色小三角形代表島弧火山，帶拖尾的紅色火山標(biāo)志代表晚新生代陸內(nèi)火山；灰色區(qū)域表示厚度超過(guò)1.5km的沉積盆地；F1-依蘭-伊通斷裂；F2-敦化-密山斷裂；黑色方框表示本研究的區(qū)域(圖b). (b)不同顏色三角形代表不同的地震臺(tái)陣，綠色、黑色、藍(lán)色、青色和紫紅色分別表示NECESSArray臺(tái)陣、NECsaids臺(tái)陣、CEA固定臺(tái)、吉林大學(xué)流動(dòng)臺(tái)和朝鮮境內(nèi)的流動(dòng)臺(tái)Fig.1 Map of NE Asia showing the main tectonic features (a) and map of the study area showing the distribution of seismic stations (b)(a) the trenches are marked by yellow saw-toothed lines. Interface depths of the subducting Pacific slab and Philippine Sea slab are outlined by white and purple dashed contour lines, respectively. Small red triangles show the locations of island arc volcanoes and red volcano symbols denote the Late Cenozoic intraplate volcanoes. The gray area in the background delineates the major sedimentary basins with thickness larger than 1.5km. F1-Yilan-Yitong fault; F2-Dunhua-Mishan fault. The black rectangle outlines our study region as shown in (b). (b) triangles with different colors represent different seismic networks. The green, black, blue, cyan, and magenta triangles represent NECESSArray, NECsaids Array, CEA permanent stations, portable stations deployed by the Jilin University and in North Korea, respectively

近年來(lái)，前人利用地震層析成像得到的與長(zhǎng)白山火山殼幔巖漿系統(tǒng)相關(guān)的速度結(jié)構(gòu)特征也存在明顯差異。Kimetal. (2017)基于中國(guó)東北地區(qū)NECESSArray流動(dòng)臺(tái)陣(圖1b綠色三角形)的部分?jǐn)?shù)據(jù)以及早期的PASSCAL臺(tái)陣數(shù)據(jù)，采用變維貝葉斯反演方法得到了長(zhǎng)白山火山下方相對(duì)較高的剪切波速度異常，結(jié)合Songetal. (2007)構(gòu)建的P波速度模型，作者解釋認(rèn)為長(zhǎng)白山火山中、下地殼存在兩層結(jié)構(gòu)：下層是幔源基性玄武質(zhì)巖漿底侵體，上層是幔源基性玄武質(zhì)巖漿經(jīng)結(jié)晶分異作用后冷卻固結(jié)形成的長(zhǎng)英質(zhì)巖體，目前這兩層巖體結(jié)構(gòu)都處于相對(duì)低溫的狀態(tài)，沒(méi)有表現(xiàn)出“活躍”的巖漿活動(dòng)特征。然而，Kimetal. (2017)的成像結(jié)果及其解釋與前人大多數(shù)研究得出長(zhǎng)白山火山正下方地殼內(nèi)存在與高溫巖漿房相關(guān)的低阻體/低速體/低密度體的普遍認(rèn)識(shí)(湯吉等, 2001; 張先康等, 2002; Choietal., 2013)都不一致。Fan and Chen (2019)利用在長(zhǎng)白山及周邊地區(qū)布設(shè)的NECsaids臺(tái)陣(圖1b黑色三角形)、NECESSArray臺(tái)陣及固定臺(tái)(圖1b藍(lán)色三角形)數(shù)據(jù)，采用背景噪聲和地震面波聯(lián)合反演方法獲得的成像結(jié)果，揭示出長(zhǎng)白山火山中-下地殼呈現(xiàn)出顯著的低速特征，推測(cè)低速異?？赡苤甘玖说貧r漿房的存在。Zhuetal. (2019)利用吉林大學(xué)在長(zhǎng)白山附近區(qū)域布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)陣(圖1b青色三角形)、NECESSArray臺(tái)陣及固定臺(tái)資料，采用背景噪聲和接收函數(shù)聯(lián)合反演得到的成像結(jié)果表明：長(zhǎng)白山火山中地殼有一個(gè)顯著的低速體，推測(cè)可能是殼內(nèi)巖漿房的位置。最近，F(xiàn)anetal. (2020)基于中國(guó)、朝鮮、韓國(guó)以及日本的地震臺(tái)站數(shù)據(jù)，應(yīng)用面波雙臺(tái)法成像技術(shù)得到的成像結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)白山火山中-下地殼深度位置存在顯著的低波速異常結(jié)構(gòu)。

由于長(zhǎng)白山火山坐落于中朝邊界(圖1b)，目前有關(guān)其淺部巖漿系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)大部分都來(lái)自于中國(guó)一側(cè)的地球物理探測(cè)，而極其缺乏朝鮮境內(nèi)的觀測(cè)資料。目前在朝鮮境內(nèi)針對(duì)長(zhǎng)白山火山開(kāi)展的地震學(xué)研究?jī)H有來(lái)自英國(guó)、美國(guó)和朝鮮的有限的聯(lián)合地震觀測(cè)(圖1b紫色三角形；Kyong-Songetal., 2016; Hammondetal., 2020)，而近年來(lái)在中國(guó)一側(cè)開(kāi)展的地震成像研究(Kimetal., 2017; Fan and Chen, 2019; Zhuetal., 2019)都還沒(méi)有利用上長(zhǎng)白山火山在朝鮮境內(nèi)的地震臺(tái)數(shù)據(jù)(2018年10月在IRIS上公開(kāi)，http://ds.iris.edu/mda/1U/)。因此本研究對(duì)區(qū)域內(nèi)上述多個(gè)密集臺(tái)陣的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尤其是中朝地震資料的聯(lián)合處理，將有助于提升對(duì)長(zhǎng)白山火山殼幔速度結(jié)構(gòu)的成像分辨率。

2 背景噪聲成像

2.1 研究數(shù)據(jù)

如圖1b所示，本研究開(kāi)展的背景噪聲成像一共利用了4個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)陣和區(qū)域固定臺(tái)網(wǎng)的垂向連續(xù)波形數(shù)據(jù)。其中，探測(cè)深俯沖的中國(guó)東北地震臺(tái)陣NECsaids(Wangetal., 2016)密集布設(shè)的60個(gè)寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2010年7月至2017年9月；中、美、日國(guó)際合作布設(shè)的NECESSArray臺(tái)陣(Taoetal., 2014)的64個(gè)寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2009年9月至2011年8月；吉林大學(xué)布設(shè)的16個(gè)寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)數(shù)據(jù)(本研究直接使用Zhuetal. (2019)提供的背景噪聲互相關(guān)數(shù)據(jù))的時(shí)間跨度為2007年至2010年；朝鮮境內(nèi)6個(gè)寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)數(shù)據(jù)(Kyong-Songetal., 2016)的時(shí)間跨度為2013年8月至2015年8月；國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的67個(gè)CEA固定臺(tái)站數(shù)據(jù)(鄭秀芬等, 2009)的時(shí)間跨度為2009年9月至2017年9月。

2.2 成像方法

基于以上所述的密集地震臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)，本研究采用背景噪聲成像方法來(lái)反演獲取研究區(qū)域高分辨率的二維面波相速度結(jié)構(gòu)。背景噪聲成像是結(jié)構(gòu)地震學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較新的地震學(xué)成像方法，其物理機(jī)制可以簡(jiǎn)要解釋為：在散射波場(chǎng)中的兩個(gè)接收點(diǎn)記錄的地震信號(hào)看似雜亂無(wú)章，但是通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間互相關(guān)計(jì)算得到的噪聲互相關(guān)函數(shù)則包含了與這兩個(gè)接收點(diǎn)之間地球內(nèi)部介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的信號(hào)(兩點(diǎn)間介質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù))，對(duì)該信號(hào)的進(jìn)一步分析處理便可以對(duì)地球內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。背景噪聲成像方法突破了傳統(tǒng)面波層析成像依賴地震事件的局限性，可以得到更短周期的成像結(jié)果，對(duì)于地震活動(dòng)性較弱的研究區(qū)，如果地震臺(tái)站分布較好的話就可以獲得研究區(qū)內(nèi)高分辨率的淺層速度結(jié)構(gòu)。近十多年來(lái)，隨著固定和流動(dòng)地震臺(tái)站數(shù)據(jù)的日益增多，該成像方法已被廣泛應(yīng)用于全球各個(gè)地區(qū)從小尺度淺層精細(xì)結(jié)構(gòu)成像到大尺度殼幔結(jié)構(gòu)的探測(cè)研究中(Shapiroetal., 2005; Yaoetal., 2006; Bensenetal., 2008; Zhengetal., 2011; 唐有彩等, 2011; 潘佳鐵等, 2014; Guoetal., 2016; 付媛媛和高原, 2016; Movaghari and Doloei, 2020)。

參照Bensenetal. (2007)歸納的背景噪聲數(shù)據(jù)處理流程，本研究對(duì)NECsaids、NECESSArray和朝鮮境內(nèi)共3個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)陣及固定地震臺(tái)的單臺(tái)地震數(shù)據(jù)做了如下處理：按天截取連續(xù)波形數(shù)據(jù)、1Hz減采樣、去均值、去線性趨勢(shì)、去儀器響應(yīng)、2～100s帶通濾波、時(shí)間域歸一化和頻率域譜白化。單臺(tái)數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，計(jì)算臺(tái)站對(duì)間的單日噪聲互相關(guān)函數(shù)并線性疊加得到最終的噪聲互相關(guān)函數(shù)，圖2給出了黑龍江MDJ(牡丹江)臺(tái)站與研究區(qū)域內(nèi)其它所有臺(tái)站之間的噪聲互相關(guān)記錄，圖中清晰且近似對(duì)稱(chēng)的明顯面波信號(hào)為本研究后續(xù)獲取高精度的反演結(jié)果奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于實(shí)際地球介質(zhì)中噪聲源并不是理想的均勻性分布，造成互相關(guān)函數(shù)在某一方向上可能具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此為了降低噪聲源非均勻性的影響以提高信噪比，我們將臺(tái)站對(duì)間的噪聲互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)疊加并取平均，得到所謂的對(duì)稱(chēng)分量(Bensenetal., 2007)。接著本研究采用基于多重濾波和相匹配濾波技術(shù)的自動(dòng)頻時(shí)分析方法(Levshin and Ritzwoller, 2001)來(lái)提取臺(tái)站對(duì)間的相速度頻散曲線，圖3中黑色曲線展示了本研究在區(qū)域內(nèi)提取到的所有原始相速度頻散曲線。

圖2 MDJ(牡丹江)臺(tái)站與研究區(qū)域其它臺(tái)站之間的噪聲互相關(guān)記錄橫、縱坐標(biāo)分別代表互相關(guān)延遲時(shí)間和臺(tái)間距Fig.2 Ambient noise cross-correlation records between station MDJ and all other stationsHorizontal and vertical axes represent the cross-correlation lag time and the station spacing, respectively

圖3 測(cè)量獲得的原始頻散曲線結(jié)果(黑色曲線)和經(jīng)質(zhì)量控制后在實(shí)際反演中利用的頻散數(shù)據(jù)(紅色圓點(diǎn))Fig.3 Raw dispersion measurements (black curves) and the selected dispersion data (red dots) used in the final inversion after quality controls

在利用基于噪聲互相關(guān)函數(shù)提取的頻散曲線反演二維群速度/相速度圖像的過(guò)程中，頻散曲線的質(zhì)量控制非常重要，因?yàn)椴环蠈?shí)際情況和偏差過(guò)大的異常輸入數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致反演結(jié)果的較大不準(zhǔn)確性。本研究反演使用的頻散數(shù)據(jù)，一共經(jīng)過(guò)了以下三個(gè)方面的質(zhì)量控制：①對(duì)于每個(gè)周期只保留互相關(guān)函數(shù)信噪比大于15(Bensenetal., 2008)的頻散數(shù)據(jù)(信噪比的定義參照Bensenetal. (2007)，即面波信號(hào)窗內(nèi)最大振幅與隨后噪聲窗內(nèi)波形均方根的比值)；②為了滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件以確保頻散測(cè)量結(jié)果在理論上真實(shí)可靠，對(duì)于每個(gè)周期只保留臺(tái)間距大于2倍波長(zhǎng)的頻散數(shù)據(jù)；③利用兩次試錯(cuò)反演剔除掉走時(shí)殘差過(guò)大的異常頻散數(shù)據(jù)，第一次試錯(cuò)反演后去掉走時(shí)殘差大于5s的異常頻散數(shù)據(jù)，第二次試錯(cuò)反演后去掉走時(shí)殘差大于2倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常頻散數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)以上質(zhì)量控制后最終在所選成像周期(5s、15s、25s和45s)上被反演利用的頻散數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖3中的紅色圓點(diǎn)所示。

得到相速度頻散曲線后，本研究采用基于射線理論的面波層析成像方法(Barminetal., 2001)來(lái)反演建立研究區(qū)域二維Rayleigh面波相速度模型。為了檢查反演參數(shù)設(shè)置是否合理以及測(cè)試反演模型的分辨能力，我們進(jìn)行了如圖4和圖5所示的兩種不同異常尺度輸入模型的檢測(cè)板恢復(fù)性測(cè)試。圖4a和圖5a是網(wǎng)格大小分別為1°×1°和0.5°×0.5°的輸入模型(對(duì)應(yīng)空間分辨率分別為100km和50km左右)，給定的平均速度為4km/s，高、低速異常幅度百分比分別為5%和-5%，正演計(jì)算的臺(tái)站對(duì)間理論走時(shí)加入了與實(shí)際反演相同標(biāo)準(zhǔn)差的高斯白噪聲，接著采用與實(shí)際反演相同的參數(shù)設(shè)置對(duì)加入噪聲的理論走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到如圖4b-e和圖5b-e所示各個(gè)周期上的反演結(jié)果。對(duì)于1°×1°的檢測(cè)板測(cè)試(圖4)，除了在5s短周期(圖4b)的松遼盆地內(nèi)部由于射線分布相對(duì)不足導(dǎo)致恢復(fù)的結(jié)果出現(xiàn)了拖尾效應(yīng)(smearing effects)，其它地區(qū)在各個(gè)周期上的輸入模型都能得到比較好的恢復(fù)；對(duì)于更小尺度0.5°×0.5°的檢測(cè)板測(cè)試(圖5)，松遼盆地在5s短周期以及研究區(qū)域邊緣地帶在各個(gè)周期上的恢復(fù)效果相對(duì)較差，但是整體上來(lái)看還是能夠?qū)斎肽Ｐ瓦M(jìn)行基本的恢復(fù)(圖5b-e)，說(shuō)明本研究實(shí)際反演的結(jié)果是足夠可靠和穩(wěn)健的。

圖4 背景噪聲成像1°×1°檢測(cè)板恢復(fù)性測(cè)試(a)輸入模型；(b-e)不同周期(5s、15s、25s和40s)上的檢測(cè)板恢復(fù)結(jié)果Fig.4 Checkerboard recovery test for the ambient noise tomography with the input anomaly size of 1°×1°(a) input model; (b) recovered models at several different periods (5s, 15s, 25s, and 45s)

3 成像結(jié)果及討論

3.1 成像結(jié)果

5s短周期上的成像結(jié)果(圖6a)與地表地質(zhì)構(gòu)造相吻合：研究區(qū)域西北方向的松遼盆地表現(xiàn)為大面積低速，依蘭-伊通斷裂以東的廣袤山脈地區(qū)表現(xiàn)為整體高速，但是海拔最高的長(zhǎng)白山火山卻呈現(xiàn)明顯的局部低速異常。如圖6b-c所示，隨著周期的增大(15～25s)，松遼盆地的低速異常逐漸減弱并有向高速異常轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，而長(zhǎng)白山火山區(qū)的低速異常則變得更為顯著，影響范圍也在逐步擴(kuò)大，在25s周期上(圖6c)，龍崗火山和鏡泊湖火山同樣觀察到開(kāi)始有低速異常的出現(xiàn)。到了45s的稍長(zhǎng)周期(圖6d)，長(zhǎng)白山火山、龍崗火山以及鏡泊湖火山都表現(xiàn)出低速異常特征，其中長(zhǎng)白山火山區(qū)的低速異常范圍最大，幅值也最為顯著，達(dá)到了-5%左右。

圖6 背景噪聲成像獲得的不同周期上二維Rayleigh面波相速度圖像Fig.6 2-D Rayleigh-wave phase velocity maps at different periods derived from the ambient noise tomography

Rayleigh面波相速度主要對(duì)地下介質(zhì)的剪切波速度結(jié)構(gòu)比較敏感，而且不同周期的面波對(duì)深度的敏感性不一樣：周期越長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)一般越長(zhǎng))的面波對(duì)地下速度結(jié)構(gòu)的敏感深度就越深，一般來(lái)說(shuō)，基階Rayleigh面波相速度對(duì)剪切波速度結(jié)構(gòu)最大敏感深度在其三分之一個(gè)波長(zhǎng)左右。同時(shí)，在地球內(nèi)部介質(zhì)中傳播的剪切波對(duì)流體、溫度和熔融狀態(tài)比較敏感，高溫巖漿體在地震波速度結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為低速特征，因此可以通過(guò)地震層析成像的方法來(lái)對(duì)地下巖漿體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)識(shí)別?；赥aoetal. (2018)利用全波形成像獲得的東亞地區(qū)三維剪切波速度模型，我們提取出本研究區(qū)域的一維剪切波平均速度模型，然后結(jié)合CPS軟件(Herrmann, 2013)計(jì)算得到了如圖7所示的敏感核曲線，本研究在5s、15s、25s和45s周期上得到的相速度圖像主要反映了上地殼、中地殼、下地殼和上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)特征，因此以下我們直接在深度范圍上對(duì)我們的成像結(jié)果進(jìn)行討論。

圖7 所選成像周期(5s、15s、25s和45s)上Rayleigh面波對(duì)剪切波的深度敏感核曲線Fig.7 Rayleigh-wave phase velocity sensitivity kernels to shear wave as a function of depth at selected periods (5s, 15s, 25s and 45s)

3.2 松遼盆地、龍崗火山和鏡泊湖火山

由于存在巨厚的松散沉積層，松遼盆地在上地殼深度位置(圖6a)表現(xiàn)為大面積的低速異常，隨著深度增加進(jìn)入中-下地殼后，松遼盆地的低速異常則明顯減弱，除了沉積厚度最大的盆地中央地區(qū)能觀察到部分低速異常外，盆地邊緣地帶由于具有相對(duì)較淺的結(jié)晶基底而開(kāi)始出現(xiàn)向高速異常的轉(zhuǎn)變(圖6b-c)。與長(zhǎng)白山火山相比，鄰近的龍崗火山和鏡泊湖火山在中-上地殼深度(圖6a-b)沒(méi)有觀察到明顯的低速異常特征，但是在下地殼(圖6c)開(kāi)始出現(xiàn)明顯的低速異常，并有向上地幔延伸的趨勢(shì)(圖6d)，這與前人大地電磁(朱仁學(xué)等, 2001)、接收函數(shù)(段永紅等, 2005)和背景噪聲波形伴隨成像(Liuetal., 2017b)的研究結(jié)果相一致，表明龍崗火山和鏡泊湖火山下地殼和上地幔頂部相應(yīng)深度位置可能存在部分熔融，但是與長(zhǎng)白山火山相比部分熔融程度明顯偏低。巖石地球化學(xué)研究也表明龍崗火山和鏡泊湖火山噴出的火山巖形成于低程度的部分熔融過(guò)程，沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)明顯的巖漿分離結(jié)晶作用(Chenetal., 2007; Liuetal., 2009)。此外，龍崗火山和長(zhǎng)白山火山區(qū)在長(zhǎng)周期圖像上呈現(xiàn)的大范圍低速異常(圖6a)表明這兩座火山在上地幔深度位置可能是同源的。

3.3 長(zhǎng)白山火山

長(zhǎng)白山火山上地殼有局部低速異常(圖6a)，中-下地殼表現(xiàn)為大范圍顯著的低速異常，該成像結(jié)果與前人研究得到長(zhǎng)白山火山正下方存在殼內(nèi)深部低阻體/低速體/低密度體的探測(cè)結(jié)果基本一致(湯吉等, 2001; 張先康等, 2002; Choietal., 2013)。與Kimetal. (2017)認(rèn)為長(zhǎng)白山火山中-下地殼存在總體冷卻的雙層巖體結(jié)構(gòu)解釋不同，基于本研究的成像結(jié)果，我們傾向于認(rèn)為長(zhǎng)白山火山下方存在與部分熔融相關(guān)的中-下地殼巖漿房，而對(duì)于上地殼局部的低速異常，我們推測(cè)可能反映了長(zhǎng)白山火山殼內(nèi)深部巖漿向淺部運(yùn)移的巖漿通道或者是區(qū)域更小尺度的巖漿聚集體(Fan and Chen, 2019)。地球化學(xué)和數(shù)值模擬研究表明大陸下地殼是巖漿發(fā)生大規(guī)模存儲(chǔ)和演化的最佳區(qū)域，因?yàn)橄碌貧ど疃任恢锰峁┑臒崃W(xué)和流變學(xué)條件十分適合幔源巖漿的分離結(jié)晶過(guò)程(Hildreth and Moorbath, 1988; Annenetal., 2006; Cashmanetal., 2017)，而長(zhǎng)白山火山噴發(fā)的火山巖在地球化學(xué)成份上經(jīng)歷了從基性巖到中-酸性巖的過(guò)渡(Chenetal., 2007; Zhangetal., 2015; 劉嘉麒等, 2015)，因此綜合地球物理和地球化學(xué)的觀測(cè)資料，我們推測(cè)出現(xiàn)顯著低波速異常的長(zhǎng)白山火山中-下地殼存在一個(gè)主要的殼內(nèi)深部巖漿房。如圖8中的卡通圖所示，該巖漿房由幔源玄武質(zhì)巖漿侵入下地殼后發(fā)生停留聚集而形成，殼內(nèi)巖漿房進(jìn)一步發(fā)生的結(jié)晶分異作用導(dǎo)致了中-酸性巖漿的形成，較低密度、更富長(zhǎng)英質(zhì)的巖漿體趨向于向淺部運(yùn)移，從而形成橫向和垂向上的低速體結(jié)構(gòu)(Cashmanetal., 2017)。同時(shí)，殼內(nèi)深部巖漿房還可能為長(zhǎng)白山火山周邊地區(qū)現(xiàn)今富集的淺表溫泉熱液活動(dòng)(Hahmetal., 2008)持續(xù)提供著熱源(或物源)?；鹕綆r石地球化學(xué)研究揭示出長(zhǎng)白山火山噴出的基性巖含有來(lái)自下地殼的EM1同位素特征，而后期噴發(fā)的中-酸火山巖則形成于基性巖漿的結(jié)晶分異作用(Zhangetal., 2015)，本研究刻畫(huà)的長(zhǎng)白山火山殼內(nèi)巖漿系統(tǒng)特征與該認(rèn)識(shí)相一致。

圖8 長(zhǎng)白山火山地殼-上地幔巖漿系統(tǒng)卡通示意圖(據(jù)Fan and Chen, 2019修改)Fig.8 Cartoon illustration for the crust and upper mantle magmatic system beneath the Changbaishan volcano (modified after Fan and Chen, 2019)

眾多大尺度地震層析成像結(jié)果(Lei and Zhao, 2005; Tangetal., 2014; Tianetal., 2016; Chenetal., 2017; Guoetal., 2018; Zhangetal., 2019; 田有等, 2019)觀察到長(zhǎng)白山火山上地幔有大規(guī)模的低波速異常，本研究的成像結(jié)果(圖6d)也揭示出長(zhǎng)白山火山上地幔頂部(巖石圈地幔)存在顯著的低速特征，表明上涌的軟流圈熱物質(zhì)可能已經(jīng)到達(dá)或者接近莫霍面的位置，并為殼內(nèi)巖漿房提供了持續(xù)的幔源巖漿補(bǔ)給(圖8)，大量地球化學(xué)研究也表明軟流圈減壓熔融后上涌引起了中國(guó)東北地區(qū)晚新生代的火山巖漿活動(dòng)(Xuetal., 2003; Chenetal., 2007; Zouetal., 2008)。由于面波對(duì)深度敏感性的限制，本研究結(jié)果對(duì)上地幔更深的速度結(jié)構(gòu)尚缺乏約束，但是結(jié)合上述前人大尺度地震層析成像結(jié)果，可以合理推測(cè)長(zhǎng)白山火山地幔上涌能夠進(jìn)一步追溯到地幔轉(zhuǎn)換帶的深度，而最近的地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究(Yang and Faccenda, 2020)也進(jìn)一步驗(yàn)證了含水地幔過(guò)渡帶上涌造就了包括長(zhǎng)白山火山在內(nèi)的中國(guó)東北地區(qū)晚新生代陸內(nèi)火山作用。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)匯集長(zhǎng)白山火山及鄰區(qū)至今為止最為密集的流動(dòng)地震臺(tái)陣和固定地震臺(tái)觀測(cè)資料，采用背景噪聲成像方法獲得了研究區(qū)高精度的Rayleigh面波相速度圖像，基于成像結(jié)果的綜合分析得出了如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)龍崗火山和鏡泊湖火山下地殼和上地幔深度范圍的低速異?？赡芊从吵鲚^低程度的部分熔融；龍崗火山與長(zhǎng)白山火山在上地幔深度的連通低速異常表明這兩座火山可能起源于一個(gè)共同的上地幔巖漿源。

(2)長(zhǎng)白山火山中-下地殼低速體可能指示了巖漿房的存在，上地殼局部低速體可能反映了殼內(nèi)深部巖漿上涌的通道或者是小范圍聚集的巖漿體結(jié)構(gòu)。

(3)長(zhǎng)白山火山上地幔頂部的低速區(qū)可能對(duì)應(yīng)軟流圈地幔熱物質(zhì)上涌，其減壓熔融為殼內(nèi)巖漿房提供了幔源巖漿補(bǔ)給。

致謝感謝評(píng)審專(zhuān)家完善的修改建議，感謝所有參與探測(cè)深俯沖的中國(guó)東北地震臺(tái)陣(NECsaids臺(tái)陣)的架設(shè)和維護(hù)工作人員。中國(guó)地震局地球物理研究所“國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”(doi: 10.11998/SeisDmc/SN, http://www.seisdmc.ac.cn)為本研究提供了固定臺(tái)的地震波形數(shù)據(jù)。