太平洋板塊的西向俯沖導(dǎo)致了華北克拉通的破壞，特別是新生代以來，華北克拉通巖石圈經(jīng)歷了明顯的改造，地表發(fā)生了一系列的盆山作用和火山活動(dòng)（圖1）。其中，大同火山的深部物質(zhì)來源及其形成機(jī)制仍然存在諸多爭(zhēng)論。前人的研究結(jié)果表明，俯沖的太平洋板片停滯于華北克拉通東部的地幔轉(zhuǎn)換帶之中，因其脫水而形成的地幔對(duì)流是上覆巖石圈破壞和深部地幔動(dòng)力學(xué)環(huán)境改變的主要因素。然而，該停滯板片是否對(duì)華北克拉通西部和中部造山帶的地幔巖石圈產(chǎn)生影響仍然存在爭(zhēng)議。地幔轉(zhuǎn)換帶是以兩個(gè)全球性的410km和660km不連續(xù)面為界的區(qū)域，這兩個(gè)界面的起伏和地幔轉(zhuǎn)換帶厚度的變化暗示著不同的地幔熱環(huán)境和組份異常。通過對(duì)地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)的研究可以幫助我們更好地理解上地幔的地球力學(xué)過程，從而認(rèn)識(shí)巖石圈的構(gòu)造變形和火山的形成機(jī)制。

中國地震局地球物理研究所徐小明研究員團(tuán)隊(duì)收集了中國地震科學(xué)臺(tái)陣848個(gè)臺(tái)站的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)（圖1），利用頻域反褶積方法提取了高質(zhì)量的接收函數(shù)109654條。根據(jù)IASP91模型計(jì)算了所有接收函數(shù)的射線路徑和走時(shí)，并基于已有的三維地殼和上地幔結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了接收函數(shù)走時(shí)校正。最后，采用共轉(zhuǎn)換點(diǎn)疊加技術(shù)（CCP）獲取了華北克拉通西部和中部造山帶下方410km和660km間斷面的地形分布（圖2）。

圖1 研究區(qū)地震臺(tái)站分布和主要構(gòu)造單元

其中，左上小圖為華北克拉通和太平洋板塊俯沖的構(gòu)造背景。PP：太平洋板塊；PHSP：菲律賓板塊；ENCC：華北克拉通東部；TNCO：華北克拉通中部造山帶；WNCC：華北克拉通西部；CAOB：中亞造山帶；SGT：松潘-甘孜地體；SB：四川盆地；藍(lán)色方框?yàn)檠芯繀^(qū)位置。左下小圖為本研究所使用的地震事件分布。

研究結(jié)果表明華北克拉西部和中部造山帶下方410km和660km不連續(xù)面地形起伏具有明顯的橫向不均勻性。大同火山至陰山地區(qū)下方的410km間斷面下陷深度達(dá)10km，這揭示了該區(qū)域熱的地幔環(huán)境。結(jié)合前人的研究結(jié)果，推測(cè)大同火山的巖漿物質(zhì)來源可能成因于源自地幔轉(zhuǎn)換帶的地幔物質(zhì)上涌。在阿巴嘎和達(dá)里諾爾火山地區(qū)，410km間斷面存在約10km的隆生，而地幔轉(zhuǎn)換帶厚度約有15km的增厚。這些異常可能與該區(qū)域存在巖石圈拆沉并下沉至地幔轉(zhuǎn)換帶有關(guān)。另外，在鄂爾多斯塊體及其西南側(cè)地區(qū)的410km和660km間斷面以及地幔轉(zhuǎn)換帶厚度幾乎接近于全球平均值，表明該區(qū)域原始的地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)得到了很好的維持，從而保持了其上方鄂爾多斯塊體的克拉通巖石圈屬性。本研究認(rèn)為華北克拉通西部和中部造山帶地幔轉(zhuǎn)換帶的局部結(jié)構(gòu)異常與太平洋板塊俯沖無關(guān)，而源于地幔轉(zhuǎn)換帶的熱物質(zhì)上涌改造了上覆巖石圈并形成了大同火山。因此，本研究對(duì)華北克拉通西部和中部造山帶下方的上地幔構(gòu)造演化和動(dòng)力學(xué)過程提供了新的約束。

圖2 華北克拉通西部和中部造山帶下方410km和660km間斷面以及地幔轉(zhuǎn)換帶厚度分布

(a-c) 基于一維IASP91模型的計(jì)算結(jié)果；(d-f) 利用三維速度模型校正的計(jì)算結(jié)果

研究成果2023年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Journal of Asian Earth Sciences》（Xu, X., Ding, Z., and Niu, F. 2023. New constraints on structures of the mantle transition zone beneath the Trans-north China orogen and western north China craton revealed by receiver functions. Journal of Asian Earth Sciences 245. doi:10.1016/j.jseaes.2023.105554.），受國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41974100）資助。