中国东北地区是研究火山活动、太平洋板块俯冲及深源地震的重要区域，针对这些问题许多科学家开展了一系列的研究工作^[1-6].关于此区火山的形成机制，存在不同的观点，如Turcotte等认为长白山为热点火山^[7]；Miyashiro通过“热区”运移的机制来解释中国东北火山的形成原因^[8]；Tatsumi等认为中国东北地区早第三纪至晚第三纪玄武岩的形成与俯冲的大洋岩石圈没有关系，而是由深处上涌的软流圈物质形成，不断上涌的软流圈物质还导致此区火山和北东向断裂系的发育^[9]；Zhao和Lei等的研究结果表明太平洋滞留板块在火山的形成过程中起了极为重要的作用^{[1, 3]}，认为长白山火山是与板块滞留及深部脱水等过程紧密相关的一种弧后板内火山.Zhao等在长白山地区的高分辨成像结果进一步证实长白山下方的地壳与上地幔中存在深达410 km的低速异常，他同时还指出在五大连池火山附近开展基于高密度台站的地球物理探测的必要性，用来验证五大连池火山和长白山火山具有相同成因的这样一个推测^[1-2].不仅如此，众多的其他学者也采用各种地球物理探测手段来研究此区火山下方的地质结构，如大地电磁研究结果^[10-13]显示长白山下的地壳中存在一个高导低阻层，是一个地壳岩浆囊；阿尔山下方可能有通往深部的岩浆通道；五大连池下方地壳可能存在一个正在冷却的低阻岩浆囊；人工地震测深表明长白山之下的地壳与上地幔顶部存在一个低速异常^[14].

俯冲的西太平洋板块在东北地区下方的地幔转换带中近水平地停滞汇集，这是东北地区深部动力学的一个显著特征^{[1, 3-4, 15]}.Zhao^[1]和Li等^[15]的结果表明滞留板块的下方有明显的高速异常碎片，Zhao等和雷建设等通过分析已有的研究成果认为太平洋板块在俯冲过程中遇到了670 km间断面的强大阻力，因而在地幔转换带中变弯并在此长期积累，最后会因相变引起的极大重力不平衡而下落至核幔边界^{[1-2, 16]}，但Huang等^[4]的结果显示，在滞留板块的下方没有表现出明显的高速异常碎片，接收函数的相关研究^[5-6]也表明俯冲的太平洋板块并没有大量的穿透660 km间断面下沉到下地幔中.

随着数字地震技术的快速发展，中国东北地区流动和固定台网观测也迅速地发展起来，在本文中我们收集了两条临时流动台站和固定台网中相关台站（图 1）的波形数据开展远震P波走时层析成像研究，以期得到较为详实的中国东北地区上地幔速度结构，并以此来探讨此区火山成因和滞留的俯冲板块等地球动力学过程.本文的研究区从东向西可分为吉黑褶皱系、松辽盆地、大兴安岭褶皱系等三大构造单元，研究区内还包含长白山、阿尔山、五大连池等三座火山，它们的分布情况如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 台站及地质构造 黑色圈点为流动台站，黑色方块为固定台站，红色三角形为火山，蓝线实线为地质构造分界线，绿色实线是大兴安岭重力梯级带，红色实线是郯庐断裂，黑色实线是太平洋俯冲板块的等深线，标有a，b，…等字母的灰色实线是图 7中垂直剖面的位置. Fig. 1 The distribution of station position and the tectonic The black circles denote the temporary stations, the black rectangles denote the permanent stations, the red triangles denote the volcanoes, the blue lines represent the tectonic dividing line, the green line represents the Da Hinggan Ling gravitational gradientzone, the red lines represent the Tanlu faults, the dark lines represent the isobath curve of the subducting Pacific Plate, the gray lines, which are marked with the character a, b, and so on, represent the sections position shown in Fig. 7.

受国家自然科学基金委和国土资源部实验专项的资助中国地震局球物理研究所在中国东北地区布设了120余套流动地震观测线，这些台站统一装备的都是CMG-3ESP宽频地震计，本研究中使用这些台站在2009年6月-2011年5月所记录到的远震资料，开展远震P波走时的层析成像研究，同时我们也采用中国东北地区固定台网宽频地震计的同期记录数据作为补充，流动台站和固定台站的总数为234个，它们的位置分布见图 1中的黑色圈点和方块.我们选取远震事件的原则是：（1）震中距在30°~90°间，尽量避免下地幔和核幔边界的复杂构造对地震波走时产生的影响；（2）震级大于M_s5.0，以确保地震波到达台站时还有较高的信噪比；（3）每个地震事件的有效记录数要大于10.经过以上三个条件的筛选后，我们将符合条件的事件波形利用波形互相关的方法^[17-18]来拾取走时残差.在使用波形互相关拾取走时残差前，我们对数据进行了去均值、去倾斜、去仪器响应、滤波等预处理工作，滤波采用的是带通滤波器，频段为0.02~0.1 Hz，最终拾取到57251个有效走时数据，有效地震事件是396个，这些事件震中的位置分布如图 2所示，从图中可以看出这些事件具有较好的后方位角覆盖.

图 2

Fig. 2

图 2 事件震中分布图 Fig. 2 The distribution map of the epicenters

本研究采用FMTT（Fast Marching Teleseismic Tomography）走时层析成像的方法来研究中国东北地区的速度结构.FMTT走时层析成像是近年来兴起的一种新的研究地球内部速度结构的方法，在国内外有许多应用并取得了较好的成果^[19-21].它是一种以射线理论为基础的走时层析成像，采用FMM（Fast Marching Method）来进行射线追踪，通过求解程函方程的数值解来获得射线路径^[19]，该方法具有快速高效、无条件稳定等特点，它的核心思想是利用由波前节点组成的窄带模拟波前曲面的演化.在本文的研究中，射线追踪采用的是FMM方法，在反演求解时采用运算量相对较少的阻尼LSQR算法，带阻尼的LSQR算法的原理参见Paige等^[22-23].

由于反演的不惟一性，使得反演结果的解也具有多样性.为了检验本研究中由台站和地震事件分布所构成的这样一个观测系统的分辨能力，在反演前我们进行了检测板测试.检测板测试的过程是：在初始速度模型Ⅰ基础上建立一个扰动速度正负相间分布的扰动模型Ⅱ，然后用前文所述的台站和事件分布合成各个台站的理论相对走时残差，作为反演的已知观测量，以模型Ⅰ作为成像反演中的初始参考模型，进行反演得到扰动模型Ⅲ，把模型Ⅲ与模型Ⅱ相比较，在模型Ⅲ中能分辨出的最小异常体的尺度就是该检测板测试的分辨率.

在本研究中我们采用水平和垂直方向均为等间隔的块体剖分法，水平的东西和南北方向间距均为0.8°，垂直的深度间距为60 km，在检测板测试时，正负异常的排列采用两种方式：①采用单个块体为一个速度异常单元，相邻块体中的速度扰动各不相同；②将同向相邻的两个块体划为一组（由于剖分空间是三维的，每组中有八个块体，组的尺度是单个块体的两倍，体积是单个块体的八倍），处在同一组中的块体有相同的速度扰动，相邻组的速度扰动各不相同.两种排列方式中输入模型的速度扰动幅值都是±3%，两种排列方式检测板的测试结果如图 3所示.由于我们采用的是块体剖分，为了让读者能更好地理解各个层面中的恢复情况，我们将各个层的平面图都展示在图 3中，比如处在刻度为0~-60 km范围内的平面图表示从地表至深60 km这个深度范围内检测板的恢复情况（见图 3a），其他平面图所代表的深度范围依次类推.从图 3中我们可以明显看到，检测板测试的分辨效果排列方式①（图 3（a-b））要明显低于排列方式②（图 3（c-d））.在采用排列方式②时，除浅部（0~-60 km）外，正负相间分布的速度异常单元基本全部恢复出来，由于大部分地震事件来自研究区以南的环太平洋地震带（图 2），所以随着深度的增加研究区南部的分辨效果要优于北部的，这个现象在720 km以下的平面图中表现得最为明显.通过检测板测试，我们认为本研究的分辨能力在水平方向为1.6°，垂直方向为120 km.

图 3

Fig. 3

图 3 检测板分辨测试结果 检测板测试中正负异常的排列采用两种方式（见正文），（a）和（b）是采取方式①时的测试结果，（c）和（d）是采取方式②时的测试结果.图中不同颜色线条所代表的主要地质构造同图 1中的说明. Fig. 3 The results of the checkboard resolution test The distribution of positive and negative anomalies was utilized in two ways (see in the text), the results of taking the way 1 and way 2 are shown in (a), (b), and (c), (d), respectively.The main geological structures represented by different color lines are the same as those in Fig. 1.

本文在反演中采用了带阻尼的LSQR算法^[22-23]，该算法中的阻尼系数控制解的收敛速度和约束模型结果的平滑程度.通过分析采用不同阻尼系数时模型平滑程度和相对走时残差均方差之间的消长曲线（亦称折衷曲线，图 4），我们可以看到，当阻尼系数为4时，模型相对较为平滑，相对走时均方差也相对较小，所以在反演中，我们采用的阻尼系数值为4.

图 4

Fig. 4

图 4 折衷曲线 Fig. 4 The tradeoff curve

图 5是反演前后相对走时残差的统计结果，从图中可以看到，反演前残差大部分集中于-0.8~0.8 s之间，反演后残差分布向中间收缩，绝大部分集中于-0.4~0.4 s之间，并符合正态分布的特征，表明经反演后初始模型朝着“能拟合走时异常的模型”演化，而不是背离.

图 5

Fig. 5

图 5 分演前（a）、后（b）相对走时残差统计 Fig. 5 The statistic of the relative traveltime residuals before (a) and after (b) inversion

我们以地球一维速度模型IASP91^[24]为初始参考模型，采用FMTT走时层析成像的方法反演获得P波速度结构，各个深度层面的成像结果如图 6所示.从地表至-120 km的范围内我们可以看到松辽盆地内部呈现以高速异常为主导的高低速异常混合分布的这样一个特征；重力梯级带以西的大兴安岭地区有明显的低速异常，这个低速异常主要集中在阿尔山火山地区；郯庐断裂以东的吉黑褶皱和长白山地区也是较为明显的低速异常区.从-120 km至-840 km的范围内的切片上可以看到，随着深度的增加松辽盆地内的高低速度异常有逐渐集中的趋势，并在盆地北部形成一个高速异常区，南部出现一个低速异常区；大兴安岭地区和吉黑褶皱地区基本上为低速异常.从图 6中我们还可以看到长白山和阿尔山下的低速异常可分别追踪到-420 km和-600 km左右，但五大连池下的低速异常止于-180 km左右.为了更好地将成像结果的速度异常展现出来，我们沿着图 1中灰色直线所示的位置做了9条垂直剖面，其中，在三座火山处分别做了相互垂直的两个剖面图，用来显示火山下方低速异常的分布情况，另外三条长剖面垂直于重力梯级带和郯庐断裂.三条长剖面中有两条横穿松辽盆地，用来展示松辽盆地下方的速度异常结构情况，有关这些垂直剖面的成像结果和讨论请见下节.

图 6

Fig. 6

图 6 层析成像结果的水平切片 （a）和（b）分别是0 km至-420 km、-420 km至-840 km范围内的结果.图中不同颜色线条所代表的主要地质构造同图 1中的说明. Fig. 6 The horizontal slices of the tomography results The results of the range from 0 km to-420 km, from-420 km to-840 km are shown in (a) and (b), respectively. The main geological structures represented by different color lines are the same as those in Fig. 1.

在本节我们将重点讨论长白山、阿尔山、五大连池三座火山及松辽盆地下方的速度异常结构情况，并以此来推断它们的深部动力学环境.火山和盆地下方的垂直剖面见图 7，各个剖面的位置见图 1中的灰色直线.

图 7

Fig. 7

图 7 层析成像结果的垂直剖面 图幅编号（a-i）标于左下角，每幅图的靠上部分是地形，靠下部分是速度异常图，中间是主要地质构造的标识.图中的虚线是410 km和660 km的间断面. Fig. 7 The vertical sections of the tomography results The serial characters (a-i) are marked at the lower left corner.The upper part of every map is the topography, the lower part is the velocity anomaly map and the middle part is the annotations of the main geological structures.The dash lines are the 410 and 660 km discontinuity.

图 7a和图 7b分别是沿东西和南北两个方向经过长白山的垂直剖面.从图中我们不难看出，长白山下方存在一个低速异常，其他的相关研究结果^{[1, 25-27]}也得出这个低速异常体，本研究所得的这个低速异常在长白山正下方向下延伸至400 km左右，但在长白山以西的地区向下延伸较深，甚至突破地幔转换带到达下地幔.在图 7a中126°-134°间的地幔转换带及其附近有一高速的异常体，我们将距此剖面100 km范围内的地震位置投影在图 7a中（黑色小圈点），这些地震分布与高速异常的展布在地幔转换带中有较好的一致性，这高速异常可能是俯冲到欧亚大陆板块下方的西太平洋板块.已有的体波层析成像研究^{[1, 3-4, 15]}表明，中国东北地区存在一个近水平展布的板片状俯冲板块前端，但本研究所得的这个高速异常的形状不像一个水平展布的板片，可能是因为俯冲的板块因重力不均衡等原因而部分下沉到地幔转换带中所致，接收函数研究^[5-6]也表明本区的俯冲板块部分向下穿透660 km间断面下沉到下地幔的现象.

图 7c和图 7d分别是沿东西和南北两个方向经过阿尔山的垂直剖面；图 7e和图 7f分别是沿东西和南北两个方向经过五大连池的垂直剖面.从图 7c和图 7d中可以看到，阿尔山下方存在一个低速异常，这低速异常延伸至约600 km深度左右，汤吉等^[11-12]大地电磁研究表明，阿尔山火山下方可能有一个地幔岩浆向上输送热物质的通道，我们在阿尔山下方所得的这个低速异常有可能就是输送热物质的通道，是阿尔山地区温泉形成的深部原因.图 7e和图 7f中的五大连池下方也有一个低速异常，这个低速异常并没有延伸到较深的深度，显著的低速异常止于约200 km的深度上，这与郑洪伟等^[28]的研究结果相似，表明现今五大连池火山的热源较浅或者说它是一个非深源成因的火山.詹艳等^[13]发现五大连池火山群下方有一个低阻体，推测这个低阻体可能是一个正在冷却的岩浆囊，也有可能是上次火山喷发的岩浆固结造成原始的岩浆通道阻塞，下部岩浆在寻找到新的上涌通道前聚集形成的新岩浆囊，显然我们的成像结果显示五大连池下方这个低速物质的底部是冷的高速物质，并没有发现更深处或地幔转换带中有延伸至五大连池下方的低速异常，不管“浅热源”还是“正在冷却岩浆囊”的模式解说都表明，五大连池火山下方存在埋深相对较浅的低速异常结构.

图 7g、图 7h、图 7i是垂直于重力梯级带和郯庐断裂等主要构造的长剖面，除了横穿主要地质构造线外，图 7g和图 7i剖面还分别经过该区的三座火山地区，图 7h和图 7i剖面的中间区域是松辽盆地.松辽盆地的东西边界分别大致以郯庐断裂和重力梯级带为界线，在我们的成像结果图中可以看到郯庐断裂和重力梯级带也是速度异常结构的主要分界线，以它们为界线可以将东北地区的速度异常分为东、中、西三个区域，其中东西两个区域为低速异常区，分别以长白山地区和阿尔山地区的低速异常结构为代表，中部是高速异常区，以松辽盆地中的高速异常结构为代表.

从图 7h、图 7i中可以看到，松辽盆地的下方呈现出以高速异常为主导，高低速异常结构混合分布的特性，已有体波成像结果^{[15, 29-30]}显示松辽盆地内部也是以高速异常为主导，这暗示松辽盆地可能有岩石圈拆沉的过程.在盆地南部的剖面（图 7i）中可以看到，在400 km以下的盆地区域，出现一个低速异常，虽然在720 km深度以下的检测板测试效果不是很好，但在研究区南部的分辨效果还是比较令人满意的，我们推断这个低速异常向下延伸至下地幔中，可能是下地幔热物质上涌的产物；在图 7i中也可以看到阿尔山和长白山下方的低速异常结构，从图中还可以看到，位于松辽盆地400 km以下的低速异常与这两个火山下方低速异常有连通性，尤其与长白山下低速异常的连通性表现得较为明显，我们推断松辽盆地400 km以下的低速异常区可能是下地幔热物质涌入上地幔的一个通道，是形成火山的深部源泉.

本文利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪记录的远震波形资料，采用波形相关技术提取了57251个P波的有效相对走时残差数据，进一步采用FMTT走时层析成像的方法，获取了研究区下方上地幔及下地幔顶部的P波速度结构，通过检测板测试，成像结果的水平分辨为1.6°，垂直分辨为120 km，我们的P波速度结构显示：

（1）在长白山下方发现有一个高速异常结构，这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块，由于板块部分下沉至下地幔中，使得板块的形状并没有呈现明显的板片状.

（2）长白山地区和阿尔山地区下方都有延伸至地幔转换带的低速异常，这些低速异常物质与这两个火山的形成有关，这两个火山下方的低速异常还与松辽盆地南部下方的低速异常有连通性.五大连池火山下方也有低速异常，但该低速异常向下延伸至200 km左右，这个低速异常结构暗示着五大连池火山的热源较浅或者它本身就是一个正在冷却的岩浆囊，现今的五大连池与长白山和阿尔山具有不同的地下速度异常结构，也意味着它们的成因可能不大相同.

（3）松辽盆地内呈现以高速异常为主导高低速异常混合分布的特性，这暗示松辽盆地可能有岩石圈拆沉的过程，松辽盆地南部存在延伸至下地幔的低速异常，该低速异常中的物质与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性，可能是下地幔热物质上涌到上地幔的一个通道，是形成火山的深部源泉.

感谢中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供波形数据^[31].感谢两位审稿专家的宝贵修改意见.