張雅茜吳慶舉張瑞青白蘭淑

1） 中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2） 中國北京 100081 中國地震局震源物理重點實驗室

引言

中亞造山帶是全球最大的增生型造山帶（許文良等，2019），位于其東段的興蒙造山帶夾持于華北克拉通與西伯利亞克拉通之間（潘桂棠等，2009），大興安嶺——太行山重力梯度則是其最顯著的地球物理特征之一.自晚中生代開始，中亞造山帶東段受古太平洋板塊俯沖影響，經(jīng)歷了復雜的形變和巖石圈-軟流圈相互作用及巖漿作用，發(fā)育了大量中新生代板內火山，例如阿爾山火山群、科洛火山群、諾敏河火山群、五大連池和長白山火山群等.因此該區(qū)域成為研究板內火山活動及其成因機制的典型場所.

阿爾山火山群地處興蒙造山帶中段，是大興安嶺地區(qū)重要的火山群之一，發(fā)育有一系列北東向斷裂，主要有新林——頭道橋古縫合帶、大興安嶺斷裂帶和二連——黑河古縫合帶（圖1）.自新生代以來，阿爾山火山曾有強烈的玄武巖噴發(fā)（朱勤文等，1997；Liuet al，2001）.火山巖K-Ar測年結果和區(qū)域地質調查綜合研究表明該火山群包含46座火山，在早、中、晚更新世和全新世均有活動記錄，主要是由第四紀構造活動形成（樊祺誠等，2011）.地球化學研究表明，阿爾山火山巖為鈉質系列堿性玄武巖，主要為堿性橄欖玄武巖，阿爾山第四紀火山活動與區(qū)域伸展作用背景下軟流圈地幔上涌、新生代大興安嶺造山活動有關（趙勇偉，樊祺誠，2012）.

圖1 研究區(qū)位置及臺站分布圖Fig.1 Study area and distribution of seismic stations

為揭示大興安嶺構造帶與松遼盆地的接觸關系，在國家深部探測專項的支持下，中國地質科學院于2010——2011年布設了從海拉爾盆地東緣至松遼盆地西緣的寬角折射地震剖面，獲得了大興安嶺及周邊地區(qū)的殼幔速度結構（李英康等，2014）.該剖面結果顯示，大興安嶺西部天池鎮(zhèn)——阿爾山地殼底部存在一個明顯的高速異常，且上地幔頂部Pn波速度也偏高.結合該處高速高密度體的特征，李英康等（2014）推斷高速異常區(qū)是火山噴發(fā)的巖漿通道或巖漿囊.湯吉等（2005）利用大地電磁測深法反演了阿爾山火山區(qū)的電性結構，其結果顯示該區(qū)地殼內部存在低阻異常；梁宏達等（2016）也通過該方法對大興安嶺及兩側盆地的電性結構進行了反演，其研究結果顯示伊爾施——蘑菇氣段下方的電性結構呈現(xiàn)“高阻——相對高阻——低阻”的特點，推斷下地殼高阻體可能是已固結的巖漿通道.另有研究顯示阿爾山地區(qū)地殼上地幔中存在低速異常（張風雪等，2013，2014；潘佳鐵等，2014；Guoet al，2015，2016；Liuet al，2017），但目前各結果關于低速異常的深度存有差異.Guo等（2015，2016）基于NECESSArray臺陣和固定臺站波形資料，采用背景噪聲層析成像等方法的研究結果表明阿爾山火山群下方中下地殼及上地幔中存在低速異常；而Liu等（2017）采用背景噪聲伴隨層析成像方法獲得的三維S波速度結構結果顯示阿爾山火山群下方的中下地殼至上地幔存在明顯的低速異常，且在火山群以西約150 km處中下地殼存在低速異常；張風雪等（2013，2014）利用P波層析成像得到的結果顯示阿爾山火山群下方的低速異常深度范圍為60——600 km，S波層析成像顯示該異常的深度范圍為100——400 km，同時向東與松遼盆地南部的低速異常連通，故推斷火山下方的低速異常區(qū)可能是輸送熱物質的通道.另一方面，張廣成（2012）和Tao等（2014）利用中美等國際聯(lián)合項目臺陣NECESSArray、綏滿臺陣和額虎臺陣的數(shù)據(jù)對興蒙造山帶的地殼上地幔結構也進行了接收函數(shù)的研究，其結果顯示南北重力梯度帶西側，莫霍面較平緩，東側地殼厚度變化大，高泊松比區(qū)域零星地分布在阿爾山火山群和長白山火山群的下方.

雖然上述地球物理研究給出了興蒙造山帶不同尺度的殼幔結構，但阿爾山地區(qū)的臺站相對稀疏，所獲殼幔結構對于認識阿爾山火山群的成因略顯不足.中國地震局地球物理研究所于2019——2021年在阿爾山火山地區(qū)布設了29套寬頻帶地震儀進行觀測（圖1），為開展阿爾山火山深部結構及火山成因研究提供了地震學觀測數(shù)據(jù).本文利用阿爾山臺陣AR的遠震體波數(shù)據(jù)，提取P波接收函數(shù)并使用H-κ疊加方法得到該區(qū)域的地殼厚度和平均波速比，為該火山群形成的動力學機制提供地球物理學證據(jù).

1 數(shù)據(jù)和方法

本文所用數(shù)據(jù)為2019——2020年的阿爾山臺陣的遠震波形數(shù)據(jù)，從中提取接收函數(shù)的具體步驟為：首先，選取震中距為30°——90°且震級為M＞5.5的遠震事件，對事件數(shù)據(jù)進行去傾斜、去均值、去線性趨勢處理，在0.05——2 Hz頻帶范圍內進行帶通濾波，并挑選出P波初至震相明顯、三分量事件記錄完整且垂直分量衰減快的地震事件206個（圖2）；然后，截取理論P波到時前10 s與后100 s之間的地震波形數(shù)據(jù)，并將E分量和N分量根據(jù)大圓弧角度旋轉至徑向分量和切向分量；最后，將三分量數(shù)據(jù)降采樣為10 Hz，采用時間域迭代反褶積方法（Kikuchi，Kanamori，1982；Ligorría，Ammon，1999），利用 CPS330 程序（Herrmann，2013）計算接收函數(shù).在接收函數(shù)的計算中，選取高斯系數(shù)為2.5，對應的截止頻率約為1.25 Hz.最終人工挑選出每個臺站下方Ps震相明顯的高質量接收函數(shù)，共計1 346條，單臺接收函數(shù)平均為58條、最多105條.

圖2 本文所用遠震事件分布紅色三角形為研究區(qū)域中心，藍色圓點為地震事件Fig.2 Distribution of teleseismic events used in this studyRed triangle is the center of study area，blue dots are seismic events

當遠震P波到達速度間斷面時，會產生轉換波或反射波.H-κ疊加方法即利用直達P波在莫霍界面所產生的Ps轉換波及多次轉換反射波震相等信息進行地殼厚度H和平均波速比κ的計算.利用給定的每組H和κ值，可以計算出理論的Ps，PpPs，PpSs＋PsPs震相到時與直達P波到時差，之后基于到時差，在一定的H和κ范圍內，對實際計算得到的各臺站下方接收函數(shù)進行掃描，可獲得不同射線參數(shù)的接收函數(shù)理論到時所對應的三個震相的振幅值，將振幅按照一定的權重疊加，則

式中：r為各震相Ps，PpPs，PpSs＋PsPs對應的振幅；ω1，ω2和ω3為各震相振幅的疊加加權系數(shù)；S（H，κ）為疊加后的總振幅，其最大值所對應的即為最優(yōu)地殼厚度和平均波速比（Zhu，Kanamori，2000）.根據(jù)李英康等（2014）在該研究區(qū)所得到的人工地震結果，本文在H-κ疊加掃描中，給定地殼平均P波速度為6.1 km/s，地殼厚度的變化范圍為20——60 km，波速比的變化范圍為1.5——2.0，三個震相Ps，PpPs，PpSs＋PsPs的疊加加權系數(shù)ω1，ω2和ω3分別為0.7，0.2，0.1.由于提取到的接收函數(shù)Ps震相的一致性比較好，而PpPs和PpSs＋PsPs震相的一致性相對較差，因此賦予Ps震相更大的疊加權重.在此基礎上計算H和κ的方差，進行相應的誤差分析.最終，我們根據(jù)H-κ掃描得到的地殼厚度和波速比以及三個震相的到時公式（Zhu，Kanamori，2000）

計算其到時，并在接收函數(shù)上標記.式（2）中的vP為地殼平均P波速度，vP/vS為波速比κ，p為射線參數(shù).

掃描結果的誤差可通過疊加結果最大振幅位置的平滑度得到.對疊加函數(shù)進行泰勒展開，并忽略高階項，可以得到H和κ的方差和標準差：

式中 σS為目標函數(shù)S的估計方差.

2 結果

2.1 接收函數(shù)及可靠性

通過H-κ疊加方法，我們得到了25個臺站的地殼厚度和波速比值（表1）.此外，AR01和AR02臺站可能受較厚沉積層的影響，直接使用H-κ疊加計算出的結果明顯與該區(qū)域的正常地殼結構不符，故舍棄，其接收函數(shù)結果見圖3；AR20和AR34臺站所記錄波形的信噪比低，亦舍棄.

表1 各臺站基本信息及相應的 H-κ 疊加結果Table 1 Basic information of each station and corresponding H-κ stacking results

圖3 AR01 和 AR02 臺站的接收函數(shù)波形Fig.3 Receiver functions of the stations AR01 and AR02

對H-κ疊加結果的誤差進行統(tǒng)計，結果如圖4所示，可見：地殼厚度H的標準差普遍小于3.0 km，平均誤差為2.6 km；波速比κ的標準差普遍小于0.06，平均誤差為0.06.AR05和AR35 （圖5b）兩個臺站附近分布著NECESSArray臺陣的YP.NEA4和YP.NEA2，本文得到的AR05和AR35臺站的地殼厚度和波速比與Tao等（2014）獲得的NECESSArray臺站的結果非常相近.

圖4 地殼厚度 H （a）和波速比 κ （b）的誤差分布Fig.4 The error distribution of crustal thickness H （a） and vP/vS ratio κ （b）

使用計算出的25個臺站的地殼厚度和波速比進行插值，得到了研究區(qū)內地殼厚度和波速比分布圖（圖6）.

2.2 地殼厚度

本研究顯示，阿爾山火山區(qū)莫霍面所產生的Ps轉換震相到時大致為4.4——5.0 s.從圖6a可以看出，地殼最厚處（37.9 km）位于研究區(qū)的北部，最薄處在重力梯度帶以西的哈多河鎮(zhèn)西側（33.9 km），平均地殼厚度為35.8 km.地殼厚度呈現(xiàn)出由西北向東南減薄的趨勢，在火山帶附近地殼較薄，但整體上變化不大，這一變化趨勢與前人對大興安嶺區(qū)域及東北地區(qū)的研究結果（高延光，李永華，2014；朱洪翔等，2017）一致.

研究區(qū)內地殼厚度以南北重力梯度帶為界，以西地區(qū)，地殼厚度呈塊狀分布.塔爾氣鎮(zhèn)以北，地殼厚度超過36.5 km，并有向NW方向繼續(xù)增厚的趨勢.高占永（2015）利用H-κ疊加得到的本研究區(qū)北部綏滿臺陣SM測線的結果也表現(xiàn)出地殼厚度向北加厚的趨勢，同時向東跨過南北重力梯度帶后地殼厚度穩(wěn)定在35 km左右，這一結果也與研究區(qū)東北側諾敏河火山群的地殼厚度（謝振新等，2018）相符.南北重力梯度帶以東地區(qū)的地殼厚度整體較薄，小于34.5 km，與張廣成等（2013）得到的松遼盆地西側的地殼厚度相近.李英康等（2014）利用深地震測深得到的地殼上地幔頂部P波速度顯示，以柴河鎮(zhèn)為界，地殼厚度從（120.8°E，47.6°N）西側的超過40 km向東迅速減薄至大興安嶺斷裂帶附近的35 km以下.本研究結果在柴河鎮(zhèn)附近也顯示出這一趨勢，但地殼厚度較李英康等（2014）的結果約薄4 km.考慮到深地震測深得到的是P波速度結構，而接收函數(shù)對S波速度變化更為敏感（高延光，李永華，2014），兩種方法得到的地殼厚度偏差在4 km范圍內，并非不可接受.

值得注意的是，研究區(qū)中部伊敏德仁附近AR19臺站的地殼厚度為34.0 km （圖6a），小于周邊36.5 km以上的地殼厚度.對該臺站接收函數(shù)進行檢查后確認，接收函數(shù)波形（圖5a）的信噪比較高，H-κ疊加結果標準差分別為1.6 km和0.04，相對穩(wěn)定， 分別小于本文獲得的地殼厚度和地殼波速比的平均誤差2.6 km和0.06，因此可以相當有把握地確認該臺站附近的莫霍面存在局部的小幅隆起.

圖5 AR19 （a）和 AR35 （b）臺站的接收函數(shù)波形（上）和 H-κ疊加結果（下）Fig.5 Receiver functions （upper panels） and H-κ stacking results （lower panels）of the stations AR19 （a） and AR35 （b）

2.3 波速比分布

阿爾山地區(qū)臺站下方的平均地殼波速比介于1.73——1.83之間，平均值為1.78，與全球大陸平均波速比（Zandt，Ammon，1995）相當，但高于東北地區(qū)平均值1.76 （朱洪翔等，2017）.研究區(qū)波速比較大的地方主要集中在火山附近，最大值為1.83；波速比最小值為1.73，位于研究區(qū)北側的塔爾氣鎮(zhèn)西北，該值與張廣成（2012）得到的SM14和SM15臺站的結果相似.從圖6b中可以看出，研究區(qū)存在三處高波速比區(qū)（H1，H2，H3），主要位于火山附近，H1區(qū)在南北重力梯度帶西側明水河鎮(zhèn)以北附近，波速比可達1.83；H2區(qū)位于研究區(qū)北側伊敏德仁附近，波速比為1.83；H3區(qū)在中南部天池鎮(zhèn)地區(qū)，波速比為1.80.

圖6 研究區(qū)內地殼厚度 H （a）與波速比 κ （b）分布（白色圈為高波速比區(qū)域）Fig.6 Distribution of crustal thickness H （a） and vP/vS ratio κ （b） beneath the stations in the study area （The white circles denote the areas with high vP/vS ratio）

3 地殼厚度與高程、波速比的關系

3.1 地殼厚度與高程的關系

研究區(qū)地貌以山地為主，地形變化較大，各臺站海拔從0.45 km到1.25 km不等.對各臺站高程與所得地殼厚度之間的關系進行研究后可知，地殼厚度與地表高程成正相關關系（圖7a），對離散的數(shù)據(jù)進行擬合可得到如下方程：

圖7 地殼厚度 H 與高程 E （a）、波速比 κ （b）的關系圖Fig.7 Correlations between crustal thickness H and elevations E （a） and vP/vS ratios κ （b）

式中，H為地殼厚度（km），E為臺站高程（km）.回歸直線的相關系數(shù)R約為0.6，說明地殼厚度與高程之間呈弱相關， 可能反映研究區(qū)受到熱物質上涌影響，處于相對不均衡的狀態(tài).

3.2 地殼厚度與波速比的關系

阿爾山火山區(qū)的地殼厚度與波速比之間存在負相關關系（圖7b），這與前人得到的大興安嶺地區(qū)（高延光，李永華，2014）及北部諾敏河火山群（謝振新等，2018）的結果相似.嵇少丞等（2009）基于地殼厚度與波速比之間的關系，提出了可以約束大陸地殼構造演化過程的幾種流變形構造模式.地殼厚度與波速比之間的負相關主要對應于兩種模式：一是構造擠壓環(huán)境造成地殼增厚失穩(wěn)，進而出現(xiàn)下地殼拆沉；二是拉張環(huán)境下基性巖漿對地殼形成底侵（嵇少丞等，2009）.一般來說，酸性花崗巖（硅鋁質）的波速比≤1.76，中性巖的波速比為1.76——1.81，基性輝長巖（鐵鎂質）的波速比在1.81——1.87之間（Tarkov，Vavakin，1982）.

研究區(qū)以南北重力梯度帶為界，地殼厚度和波速比的分布呈現(xiàn)不同的特點.重力梯度帶西側柴河鎮(zhèn)——明水河鎮(zhèn)北側存在一個近似三角形的高波速比區(qū)H1，其地殼厚度和平均波速比分別為34.4 km和1.81.過柴河鎮(zhèn)有一條平行于其東側大興安嶺斷裂帶的NE向地震分布區(qū)，穿過本文接收函數(shù)H-κ掃描得到的高波速比區(qū)H1，說明H1附近存在殼內斷裂帶，該殼內斷裂帶為地幔巖漿物質上涌提供了通道，造成了該區(qū)地殼的減薄和波速比的增高.H1以東地區(qū)（南北重力梯度帶以東）地殼厚度與H1相近，約為34.4 km，但波速比并不高，多在1.75左右.重力梯度帶兩側相同的地殼厚度、不同的地殼波速比反映出重力梯度帶兩側雖然均處于構造伸展環(huán)境，但其西側可能受到更為強烈的巖漿作用.韓江濤等（2018）發(fā)現(xiàn)柴河鎮(zhèn)東側下地殼中存在“拱橋式”的中、低阻異常，并推斷該異常區(qū)為玄武質巖漿運移的通道.

伊敏德仁北部的高波速比H2區(qū)的地殼厚度為34 km，波速比達到1.83，明顯有別于周邊地區(qū).根據(jù)伊敏河林場地質調查圖（李衛(wèi)東等，2014），該區(qū)域出露酸性的中生代花崗閃長巖，而本文得到的波速比1.83已處于基性巖的范圍內，表明中生代酸性花崗閃長巖之下的地殼存在基性成分.考慮到該區(qū)地殼較薄，我們推測地幔熱物質上涌，玄武巖漿底侵并強烈改造了下地殼，但尚未穿透上地殼到達地表，從而導致該區(qū)域地殼減薄、波速比值顯著增高.

天池鎮(zhèn)周邊存在著另一個高波速比區(qū)H3，該區(qū)內AR28和AR29臺站的波速比均為1.80，地殼厚度分別為35.5 km和36.0 km.天池鎮(zhèn)附近出露有火山口，且該地出露有堿性橄欖玄武巖（劉嘉麒，1999），天池林場四方山火山錐的熔巖和火山彈中含較多的超鎂鐵質巖包體.因此，本文推斷該區(qū)域經(jīng)歷的多次火山噴發(fā)活動對地殼進行了改造，不僅導致地殼減薄，還將地幔中的鎂鐵質物質帶入地殼并噴發(fā)至地表，證明該處存在巖漿通道.梁宏達等（2016）的大地電磁測深結果顯示，此處下地殼存在高阻體，這一高阻體對應高速異常（李英康等，2014），并推斷此處存在已固結的巖漿通道.本文得到的波速比值1.80，略低于H1和H2區(qū)的波速比值，可能與巖漿通道固結有關.

綜上所述，結合東北地區(qū)火山和火山巖的分布狀況所反映的大陸裂谷型特點（趙海玲等，1996），我們推斷本研究獲得的阿爾山火山群地區(qū)的地殼結構可能是拉張環(huán)境下基性巖漿底侵作用的結果.

4 結論

利用在阿爾山火山群布設的寬頻帶流動地震觀測臺陣，提取了遠震P波接收函數(shù)，并通過H-κ疊加方法獲得了火山區(qū)下方的地殼厚度和平均波速比分布.相對于前人基于較為稀疏臺陣數(shù)據(jù)得到的結果，本文得到了研究區(qū)內更為精細的結構.結果表明：

1） 研究區(qū)的地殼厚度總體介于33.9——37.9 km，南北重力梯度帶以西地殼較厚，以東地殼較薄.火山帶附近地殼呈現(xiàn)出減薄趨勢，地殼最薄處約34.0 km，位于伊敏德仁附近，可能是受到上地幔物質上涌影響，進而導致莫霍面局部隆起.

2） 研究區(qū)地殼的平均波速比介于1.73——1.83，存在三個明顯的高波速比區(qū)（H1，H2，H3），其內地殼均較薄.綜合地殼厚度與波速比的負相關關系以及前人的研究結果，本文推斷地幔熱物質上涌底侵地殼，導致三個局部區(qū)域地殼的減薄和波速比值的增高.

3） 研究區(qū)地殼厚度與高程之間的弱相關關系，可能說明其處于相對不均衡的狀態(tài)，具體原因尚待進一步探討.

感謝參與臺站儀器布設和維護、數(shù)據(jù)收集和預處理的全體人員，感謝兩位評審老師提出的寶貴指導意見.本文圖件均由 GMT （Wesselet al，2013）繪制.