中國東北地區(qū)松遼盆地北緣及其東西兩翼發(fā)育眾多的第四紀(jì)板內(nèi)火山，包括長白山火山、龍崗火山、鏡泊湖火山、阿巴嘎火山、哈拉哈火山、五大連池火山、諾敏河火山等（圖1A）。這些年輕板內(nèi)火山的形成機制及其深部動力學(xué)過程是涉及西太平洋地球系統(tǒng)多圈層相互作用的核心科學(xué)問題，也是推進解決與板塊深俯沖相關(guān)重大地球科學(xué)問題的關(guān)鍵。前人的大尺度地震層析成像、火山巖石地球化學(xué)以及地球動力學(xué)模擬等研究揭示東北地區(qū)板內(nèi)火山的形成與西太平洋板塊向歐亞大陸俯沖并滯留于地幔轉(zhuǎn)換帶的過程密切相關(guān)。然而，已有研究難以解釋東北地區(qū)第四紀(jì)玄武巖為何會在地球化學(xué)屬性上表現(xiàn)出顯著的空間差異性（圖1A）——位于松遼盆地北緣的五大連池和諾敏河等局部區(qū)域出露典型的高鉀玄武巖，與東北地區(qū)其它普通鈉質(zhì)火山巖相比在元素地球化學(xué)性質(zhì)上呈現(xiàn)出多方面的異常特征。針對這些高鉀玄武巖的成因，已有的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究結(jié)果仍存在很大爭議，不同研究分別提出了巖石圈地幔、軟流圈地幔和地幔轉(zhuǎn)換帶等多種巖漿起源模式。
圖1（A）中國東北地區(qū)構(gòu)造簡圖。綠色和品紅色區(qū)域分別代表第四紀(jì)普通鈉質(zhì)和高鉀玄武巖的地表分布。CBS—長白山火山；LG—龍崗火山；JPH—鏡泊湖火山；WDLC—五大連池火山；NMH—諾敏河火山；HLH—哈拉哈火山；ABG—阿巴嘎火山。黑色虛線分別表示南北重力梯度帶和郯廬斷裂帶。紫色實線代表繪制圖2中5條縱剖面（aa’、bb’、cc’、dd’和ee’）的地表位置；（B）本研究所用的地震臺站分布
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室2019屆博士生范興利（現(xiàn)南方科技大學(xué)博士后）與陳棋福研究員、艾印雙研究員和陳凌研究員等人，通過匯集東北地區(qū)近年來布設(shè)的多個密集流動地震臺陣和區(qū)域固定臺網(wǎng)的地震波形數(shù)據(jù)，采用背景噪聲和雙平面波成像方法建立了研究區(qū)域高精度的殼幔三維剪切波速度模型（圖2）。成像結(jié)果顯示長白山火山、龍崗火山、鏡泊湖火山、阿巴嘎火山和哈拉哈火山區(qū)下方上地幔頂部呈現(xiàn)顯著低波速異常，表明上涌的軟流圈可能已經(jīng)到達(dá)（或接近）莫霍面的位置；而五大連池和諾敏河火山下方上地幔頂部則整體表現(xiàn)為相對高速，可能指示該區(qū)存在巖石圈地幔。結(jié)合前人火山巖石地球化學(xué)的研究結(jié)果，推測東北地區(qū)包括長白山火山在內(nèi)的鈉質(zhì)玄武巖主要來自于上涌的軟流圈地幔，而五大連池和諾敏河火山的高鉀玄武巖則是軟流圈低程度熔體與上覆巖石圈地幔相互作用的產(chǎn)物（圖3）。這一研究結(jié)果揭示，東北地區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)的橫向差異控制了第四紀(jì)板內(nèi)火山玄武巖的起源及其地球化學(xué)屬性。
圖2 橫跨火山區(qū)的5條縱剖面剪切波絕對速度模型。aa’、bb’、cc’、dd’和ee’的地表位置見圖1中紫色實線
中國東北地區(qū)在古生代至晚中生代時期由多個微陸塊相繼拼貼而成，其內(nèi)部巖石圈屬性例如強度和流變性等可能存在明顯的橫向差異。推測這種差異使晚中生代以來西太平洋板塊持續(xù)俯沖誘發(fā)的軟流圈-巖石圈地幔相互作用在強度和尺度上也出現(xiàn)顯著的空間差異性，最終造成東北地區(qū)現(xiàn)今觀測的巖石圈結(jié)構(gòu)的強烈橫向不均一性和巖漿性質(zhì)的迥異特征。以上是針對中國東北地區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著橫向差異原因的一種可能解釋，未來還需要聯(lián)合多學(xué)科觀測結(jié)果和三維地球動力學(xué)模擬研究來加以驗證。
圖3 刻畫長白山火山和五大連池火山不同成因機制的卡通圖
研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Geology（范興利，陳棋福*，艾印雙*，陳凌，姜明明，吳慶舉，郭震. Quaternary sodic and potassic intraplate volcanism in northeast China controlled by the underlying heterogeneous lithospheric structures[J]. Geology, 2021, 49. DOI: 10.1130/G48932.1）。該成果受到國家自然科學(xué)基金項目（91958209，42004033，41474040，41688103，41774058）和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2019A1515110307）的聯(lián)合資助。