以中國東北為主體的東北亞大陸是由多個微陸塊俯沖、碰撞而成的拼貼體，自中生代以來深受(古)太平洋和蒙古-鄂霍次克兩大構(gòu)造體系的疊加作用和改造。已有大量的地震成像結(jié)果顯示，太平洋板塊在東北亞下方地幔過渡帶中發(fā)生了大規(guī)模滯留，從而形成全球獨有的、東亞"大地幔楔"（Big Mantle Wedge）系統(tǒng)。因此，我國東北地區(qū)是研究"大地幔楔"系統(tǒng)內(nèi)部過程及其對上覆板塊改造效應(yīng)的理想地區(qū)。地震各向異性描述了地震波速度對方向的依賴性，記錄了地下介質(zhì)曾經(jīng)或現(xiàn)在的動力學(xué)信息，是窺測地球深部構(gòu)造變形及物質(zhì)循環(huán)的探針，對地球深部動力學(xué)過程具有重要的指示意義。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室楊凡博士、郭廣瑞博士與導(dǎo)師李娟研究員及合作者陳棋福研究員、陳赟副研究員等基于NECSaids密集流動臺陣（圖1）記錄的高質(zhì)量地震波形數(shù)據(jù)，利用SIMW (Simultaneous Inversion of Multiple Waveforms) 方法對SKS震相分析處理，獲得了跨東北亞大陸（吉林琿春-內(nèi)蒙二連浩特剖面，全長約2000 km）穩(wěn)定、可靠的剪切波分裂結(jié)果。結(jié)合已有的S波接收函數(shù)、區(qū)域?qū)游龀上袼俣饶Ｐ偷龋到y(tǒng)探討了該區(qū)域各向異性的空間變化和主要來源深度，給出了跨東北亞大陸地幔動力學(xué)的一階特征。
圖1中國東北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景及XKS剪切波分裂結(jié)果
剪切波分裂結(jié)果分析顯示，各向異性的總體特征以南北重力梯度帶（NSGL，東亞大陸巖石圈的一級特征）為界表現(xiàn)出明顯的分區(qū)性。在NSGL以西，快軸方向以ENE為主，較東部地區(qū)延遲時間偏小，但在阿巴嘎火山周圍存在復(fù)雜的分裂參數(shù)。在NSGL以東，快軸方向以NNW為主，大致平行于板塊絕對運動方向（APM）的平均值，但在松遼盆地下方的分裂參數(shù)比較分散，在長白山地區(qū)有較多無分裂結(jié)果的臺站，這表明該區(qū)域產(chǎn)生地震各向異性的機制不唯一，存在區(qū)域性的地幔流。更加有趣的是，在NSGL附近200 km的范圍內(nèi)，快軸方向存在由NNW向NNE系統(tǒng)性的順時針旋轉(zhuǎn)，這可能與該區(qū)域巖石圈厚度發(fā)生60-80 km的劇烈變化相對應(yīng)（圖2b）。
圖2 （a）利用SIMW方法獲得的剪切波分裂結(jié)果；（b）沿著臺陣所在測線（~43.5°N）的S波速度異常圖；（c）以南北重力梯度帶(118.5°E)為界東西兩側(cè)的快軸方向和延遲時間的統(tǒng)計直方圖
研究結(jié)果表明，南北重力梯度帶西側(cè)巖石圈總體較穩(wěn)定，變形程度弱或有限，而東側(cè)受西太平洋俯沖板塊誘發(fā)的巖石圈拆沉等作用形成了復(fù)雜的區(qū)域性地幔流。巖石圈厚度的階躍性變化（keel）導(dǎo)致了局部區(qū)域地幔流動的轉(zhuǎn)向或旋轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象在美國東部（West et al., 2009; Yang et al., 2017）和鄂爾多斯東北部（Li et al., 2020）也有體現(xiàn)，這種Keel-Deflected 的地幔流動模式首次在中國東北地區(qū)被明確提出（圖3）。對于約束局部地區(qū)（如長白山火山、阿巴嘎火山）下方地幔流動模式的細(xì)節(jié)特征還需要聯(lián)合多方法的地球物理學(xué)資料、地球化學(xué)的觀測結(jié)果和三維地球動力學(xué)模擬等加以驗證。
圖3 (a) 研究區(qū)域內(nèi)SKS剪切波分裂測量結(jié)果；(b) 東北亞大陸下方Keel-Deflected地幔流動模式示意圖
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL（楊凡，郭廣瑞，李娟*，陳棋福，陳赟，陳思丹. Panoptic view of mantle flow beneath trans-continental Northeast Asia: Distinct variation detected from ～2,000 km shear wave splitting profile [J] . Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2021GL097116. DOI: 10.1029/2021GL097116。該成果受到國家自然科學(xué)基金項目（42074063、41774065、41774058）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項計劃(B)項目(XDB18000000)和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-201904）的資助。