中国东北地区壳幔波速细结构及动力学意义

Influenced by the deep subduction of the west Pacific plate, a series of tectonic systems, such as the Xingmeng orogenic belt, the Songliao basin, and the Jihei fold zone, have been formed, simultaneously accompanied by the Cenozoic Changbaishan and Wudalianchi volcanisms and the deep earthquakes occurrence. However, it is still unclear on some scientific issues, such as the formation of the tectonic systems, the deep dynamics of the volcanisms and mechanism of the deep earthquakes, which may be due to be lack of a clear 3-D tomographic image in the region caused by the sparsity of permanent seismic stations in the region. In recent years, because of their different individual scientific issues, many portable seismic observations have been conducted, and several velocity models have been inferred, but it is still hard to interpret the tectonic features in the region. Therefore, in the present study collecting the data from the seismic waveforms recorded at the existing portable and permanent seismic stations and deep seismic soundings, we will develop the seismic tomographic method by integrating the data from the first and later seismic phases recorded by the local and teleseismic events, and infer the high-resolution (grid spacing less than 70 km) P- and S-wave velocity models of the crustal and upper mantle down to 700 km depth beneath Northeast China. It is of great scientific significance to better understand the dynamic implications on the deep tectonic features, volcanisms and deep earthquakes in the region and provide basic data for and scientific solutions to construct the China regional seismological reference model.

中国东北地区受西太平洋板块深俯冲影响，形成了兴蒙造山带、松辽盆地、吉黑褶皱系等一系列构造体系，同时还伴随有长白山火山和五大连池火山等第四纪活火山作用和深源地震的发生。这些构造体系的形成、火山作用和深源地震发生的机理等科学问题目前均尚不十分清楚，可能与研究区固定地震台站分布稀疏、缺乏清晰的三维结构图像有关。尽管近年来研究者在我国东北开展了很多流动地震观测，但由于各自拟解决的科学问题不同，获得的速度模型还难以较好地解释我国东北地区的构造特征。为此，本研究拟收集已有流动、固定台站与人工地震测深资料，发展地震成像技术，将近震到时和远震到时相结合，将初至震相与后续震相相结合，获取该区深至700 km的壳幔高分辨率(约70 km节点间距)P波和S波速度模型，这对于理解我国东北地区的深部构造特征、活火山作用和深源地震发生机理等均具有重要科学意义，也可为建立中国区域地震学参考模型提供基础数据和科学思路。

受太平洋板块西向深俯冲影响，中国东北分布有很多第四纪活火山，但其深部起源及其之间关系并不十分清楚。为此，本项目开展了三维地幔成像、背景噪声成像、SKS分裂分析、接收函数成像和Pn波成像研究以及青藏高原东缘与天山造山带等地区深部结构与动力学过程的对比研究。结果显示，五大连池火山下方5-15 km深度以浅为明显低波速异常，而其下地壳却存在明显高波速异常，据此提出五大连池火山具有“间歇性”地幔岩浆供给的新认识；五大连池火山及周边地区快波方向和分裂时间均存在着以火山为中心的东南向开口的“U”形分布特征，可能与五大连池火山下方具有较强垂向上升流、而其南北两侧存在较强地幔水平流但受大兴安岭下方较厚岩石圈阻挡有关；在长白山火山、镜泊湖火山、五大连池火山及阿巴嘎和哈拉哈火山群下方Moho面明显深于周边地区，特别是长白山火山下方Moho面深达40 km，且接收函数随地震事件反方位角变化明显，暗示了长白山火山下方地壳内存在复杂的岩浆作用。中国东北火山活动区上地幔顶部存在明显Pn波低速异常，且一些低速异常被高速异常所分隔，但被各向异性快播方向所连接，暗示了在现今或历史构造演化过程中这些火山区可能存在关联性，提出了东北火山可能存在物质与能量交换的动力学模型。2013-2018年吉林松原地区地震全矩张量解显示，2013年震群以逆冲机制为主但伴随着明显体积压缩分量，而2018年震群则为走滑型。同时，地震主要发生在相对高波速异常区，但震源区下方却存在明显低波速异常，这些低波速异常可能代表了流体作用。这些结果表明，中国东北地区火山形成和地震发生均是与太平洋板块深俯冲至地幔转换带形成的“大地幔楔”结构中的动力学过程密切相关。在JGR、GJI、PEPI等期刊发表学术论文27篇。培养了3名博士生、3名硕士生和1名博士后。学术交流40余人次。获得中国地震局防震减灾成果奖一等奖等学术奖励。