中国东北地区位于西伯利亚板块和华北板块之间，东临太平洋俯冲带 (图 1).自古生代以来，东北地区先后经历古亚洲洋和蒙古—鄂霍茨克洋闭合以及太平洋板块俯冲等多期构造作用 (林强等，1998；吴福元和曹林，1999)，这些构造作用对东北地区深部结构，尤其是地壳结构演化产生影响，并在区域内形成了复杂的浅表地质构造：包括以松辽盆地为代表的盆地群，西部的大兴安岭褶皱带，中东部的张广才岭，北部的小兴安岭，南部的华北北缘造山带等等.东北地区不仅地形高低起伏，而且大小断裂分布密集，主要断裂是位于西侧的嫩江断裂，东侧的敦化—密山断裂和依兰—伊通断裂，三条断裂的走向为北东向，和该地区盆地的展布方向基本一致 (葛荣峰等，2010).东北地区还包括很多火山，其中比较著名的有长白山火山和五大连池火山，分别位于松辽盆地东侧和北侧，它们和位于云南的腾冲火山一起，被称为“中国三大活火山”(刘嘉麒，1999；Zhao and Tian, 2013).这些构造都与东北地区地壳结构有着密切的关系 (吴福元和曹林，1999)，因此，研究东北地区的地壳结构对推测区域内构造成因具有重要意义.

图 1

Fig. 1

图 1 中国东北地区构造及台站分布图 图中黑色实心三角形为分布在中国东北地区火山，空心圆形、正方形和倒三角形分别为中国地震局台站、NECESSArray台网和吉林大学台站.图中黑色粗虚线为大兴安岭—太行山重力梯级带，细虚线为盆地边界，右下角白色线为太平洋俯冲板块等深度线. Fig. 1 Map showing tectonics and station distribution in Northeast China Solid black triangles represent the location of volcanoes in Northeast China. Hollow circles, squares and inverted triangles represent the location of the China Earthquake Administration, NECESSArray and Jilin University stations, respectively. Thick dashed line is the Great Xing′an Range-Taihang Mountains gravity gradient belt. Thin dashed lines denote boundaries of basins. White lines in the lower right corner show the depth contours of the upper boundary of the subducting Pacific slab.

东北地区地壳结构一直以来都是地学界研究的热点之一，前人运用了不同的地球物理方法对该区进行了研究.杨宝俊等 (1996)利用人工地震方法获得了满洲里—绥芬河长达1300 km的GGT (Global Geoscience Transect，全球地学断面) 广角地震剖面，发现剖面经过的地区莫霍界面深度的变化范围为29~40 km，东部地区的莫霍界面结构比西部复杂，并结合重力、地热资料推测太平洋板块俯冲作用是东北地区构造形成的主要成因.地震背景噪声资料发现在松辽盆地内30 km深度处存在明显的S波高速异常，而在大兴安岭—太行山重力梯级带西侧，该深度处S波速度出现大面积低速异常区 (潘佳铁等，2014；Guo et al., 2015).走时层析成像资料显示，长白山地区地壳内存在大范围的低速异常，对应大地电磁资料的低阻带，推测在该区地壳内可能存在岩浆囊 (汤吉等，1997；冯晅等，2013).张广成等 (2013a)利用接收函数Ps震相对东北地区地壳各向异性进行了研究，发现该区快波偏振方向以北西向为主，与地幔各向异性方向一致，并推测下地壳同样受由俯冲板块引起的地幔对流的影响.从以上资料可以看出，东北地区地壳结构异常复杂，因此需要利用更多地球物理方法和资料对该区进行更细致的研究.

接收函数方法是地震学研究壳幔结构的重要手段之一，利用该方法可以有效地探测地球内部间断面结构、台站下方S波速度 (波速比) 结构.Langston (1979)提出等效震源假设并给出接收函数的提取方法，从此接收函数方法开始被广泛地用于对地壳上地幔结构的研究中，Dueker和Sheehan (1997)发展了接收函数深度域叠加成像技术，并对美国黄石公园地幔转换带结构进行了研究，Ammon (1991)发展了接收函数的线性反演方法并证明反演的S波速度结构依赖于初始模型，存在非唯一性.国内学者对接收函数研究和发展同样作出了突出贡献，刘启元等 (1996)提出了接收函数非线性反演复谱比方法并以此为基础发展了基于贝叶斯理论的接收函数和背景噪声联合反演方法，Ai等 (2003)首次利用接收函数CCP方法对东北地区东部660 km间断面结构进行了研究，并讨论了俯冲板块对660 km间断面的影响，吴庆举等 (2007)将反射地震成像的克希霍夫偏移方法引入到接收函数成像中，该方法可以有效地消除速度横向变化对偏移结果的影响，Chen等 (2005a, 2005b) 发展了一种基于频率波数域波动方程的叠后深度偏移方法，并对日本地区俯冲带结构进行了研究，Tian等 (2010)提出了CRP (Common Raypath，共射线路径) 叠加方法，并对天山造山带地幔转换带结构进行了成像.

近些年来，随着宽频带地震仪的广泛使用，东北地区台站覆盖区域增大，分布密度提高，这为接收函数方法研究该区地壳上地幔结构创造了有利条件.张广成等 (2013b)和Tao等 (2014b)分别使用分布在东北地区的237个和185个台站的接收函数数据对该区地壳结构进行研究，并得出西部大兴安岭地区地壳厚度较大，大兴安岭和松辽盆地交界地区存在地壳厚度陡变带的结论.前人的接收函数研究已经取得了丰硕的成果，但是受限于该区地震数据的数量和分布，对局部地区的地壳结构研究并不够充分，因此，该区地壳结构的研究还需要更多数据的加入，从而获得更高分辨率的地壳结构.

为了研究长白山及其周边地区地壳上地幔结构，吉林大学在该区分两批共布设了26个临时台站 (简称JLU)，这些台站分布比较密集，相邻台站间距在0.5°左右，并且所有台站运行时间都超过两年，利用这些台站接收到的高质量数据已取得一些重要成果 (田有等，2015；Tian et al., 2016).本次研究旨在将这些数据应用到东北地区地壳结构接收函数的研究中，并联合搜集的国家地震局、NECESSArray台网不同时期分布在东北地区的台站接收到的远震数据，对整个东北地区的地壳结构进行高分辨率的成像，为探讨中国东北地区的盆山结构、长白山火山地壳岩浆囊分布及深部动力学过程提供重要的地球物理约束.

本次研究所利用数据由三个部分组成，第一部分为本课题组在长白山周边地区分两批布设的26个Reftek-130宽频带地震仪 (图 1中倒三角形)，这些台站分两批布设，第一批包括16个台站，工作时间范围为2007—2010年，第二批共有10个台站，时间跨度为2012—2014年，通过这些台站获得了大量高质量的地震观测数据；第二部分为国家地震局台网在该区的数据资料，国家地震局台网在东北地区共包括139个台站，这些台站覆盖了整个东北地区，尤其是在东部地区具有较高的分布密度 (郑秀芬等，2009)，本研究选取这些台站2009年中10个月的地震数据进行处理；第三部分为NECESSArray台网数据，该台网布设时间范围为2009年9月至2011年8月，共包括127个临时台站，均匀的分布于东北地区，有效地弥补了过往大兴安岭地区台站分布少的不足.综合考虑数据质量和研究区分布范围，最终选取了109个国家地震局台网 (图 1中圆形) 和124个NECESSArray台网 (图 1中正方形) 的数据，研究区内台站总数为259个，分布如图 1所示，相比于前人的研究，本次研究中的台站分布在密度和均匀性上均有所提高.

本次研究中，选取的地震事件震中距分布为30°~90°，对JLU和国家地震局的数据，选取震级大于5.5级的地震事件，而对NECESSArray台网则选用震级大于5.8级的地震事件，地震事件总数为798个，分布如图 2所示，从图中可以看出，本次研究使用的地震事件具有较好的震中距和反方位角分布.

图 2

Fig. 2

图 2 本次研究使用远震事件分布 图中圆点为地震位置. Fig. 2 Distribution of teleseismic events used in this study Dots are the location of events.

P波接收函数具有能量强、信噪比高、纵向分辨率高等特点，因此采用P波接收函数来研究东北地区地壳结构.截取P波前15 s，后85 s的地震数据，将三分量从深度-北向-东向 (ZNE) 坐标系旋转到深度-径向-切向 (ZRT) 坐标系后，采用频率域反褶积方法提取P波径向接收函数 (Ammon, 1991)，高斯系数为2.0，并且使用二阶巴特沃斯带通滤波器进行滤波，频带范围为0.03~1 Hz.经人工挑取接收函数，去除低信噪比的数据之后，最终获得16, 070个高质量的P波接收函数.

H-κ叠加方法由Zhu和Kanamori (2000)提出，是目前利用接收函数研究地壳结构最常用的方法之一.该方法联合使用莫霍界面转换波Ps震相和多次波PpPs、PsPs+PpSs震相对莫霍界面结构进行研究，在台站下方地壳介质水平均匀的假设下，三种震相到时差与地壳内P波速度 (V_P)、S波速度 (V_S)、莫霍界面深度 (H) 以及射线参数 (p) 之间的关系，如公式 (1) 所示：

(1)

通过对单个台站所有接收函数的叠加，可以确定该台站下方的地壳厚度和平均波速比 (V_P/V_S).本次研究中，根据已有资料设定东北地区地壳P波速度为6.3 km·s^-1(傅维洲等，1998)，深度域扫描范围为20~50 km，间隔为0.1 km，波速比扫描范围为1.4~1.9, 间隔为0.01.将台站记录的各条接收函数通过公式 (1) 计算三个转换震相时差，并在接收函数记录中取对应点的幅值，按照公式 (2) 进行叠加：

(2)

式中H为莫霍面深度，κ为纵横波速度比，N为该台站对应的数据条数，r_i为该台站第i条接收函数三种转换震相Ps、PpPs、PpSs+PsPs与P波的时差对应的幅值，λ₁、λ₂、λ₃分别为三种震相叠加的权系数，它们绝对值的和为1.为了提高后续多次波震相对叠加结果约束，增加叠加结果可信度，在本次研究中三个权系数分别给定为0.5、0.3、-0.2.图 3为选取的六个台站的H-κ叠加结果，三部分数据各选择两个台站，且这些台站分布在研究区各个典型的构造区域.

图 3

Fig. 3

图 3 H-κ叠加结果 其中NE87(a, b) 和NEA2(c, d) 属于NECESSArray台网，位于西部大兴安岭地区；JGD (e, f) 和WUC (g, h) 属于国家地震局台网，分别位于小兴安岭和松辽盆地地区；ABBD (i, j) 和DNG13(k, l) 来自吉林大学台站，位于长白山地区. (a) 中三条虚线依次为Ps震相和多次波PpPs、PsPs+PpSs震相与直达P波理论到时差，(c, e, g, i, k) 中虚线与 (a) 相同. Fig. 3 Results of H-κ stacking NE87 (a, b) and NEA2 (c, d) are from NECESSArray, located in Great Xing′an Range in the west portion of study area; JGD (e, f) and WUC (g, h) are from China Earthquake Administration and located in Lesser Xing′an Range and Songliao basin, respectively. ABBD (i, j) and DNG13 (k, l) belong to Jilin University, located around the Changbai volcano. Three dashed lines in (a) represent the time-differences between P waves and the phases of Ps, PpPs and PsPs+PpSs, and dashed lines in (c, e, g, i, k) are same as (a).

已有资料表明，研究区内松辽盆地、三江盆地内部分地区存在巨厚的低速沉积层 (杨宝俊等，1996；Tao et al., 2014b).台站下方的沉积层使接收函数出现高振幅、低频率的混响效应，从而影响对地壳结构的准确观测 (Yu et al., 2015).为了消除台站下方低速沉积层对接收函数的影响，前人已经给出了不同的处理方法 (Yeck et al., 2013；Tao et al., 2014a；Yu et al., 2015)，本文使用Yu等 (2015)的方法对松辽盆地、三江盆地地区部分受沉积层影响出现明显混响效应的台站的接收函数进行处理.沉积层底部产生的一次 (PbS) 和多次转换横波在时间域中表达式为：

(3)

式中H(t) 为带有混响效应的接收函数, F (t) 为未受沉积层影响的接收函数，参数r₀为反射强度，其定义为第一个波谷幅度和第一个波峰幅度之比，Δt为原始数据中第一个波峰和第一个波谷之间的时差，通常情况下利用接收函数的归一化自相关函数来确定这两个参数，n为沉积层内反射次数.将 (3) 式变换到频率域并经过推导 (Yu et al., 2015)，可以得到频率域中消除混响后的接收函数表达式：

(4)

式中F(iω) 为消除混响后的接收函数频谱，H(iω) 为原始接收函数的频谱，1+r₀e^－iωΔt是一个共振滤波器，每一个接收函数对应一组 (r₀，Δt) 值.利用式 (4) 对观测到的带有混响效应的接收函数谱进行滤波，可以消除低速沉积层的影响.

滤波后的接收函数可以通过加入时差校正后的H-κ叠加方法来确定沉积层下的地壳厚度H和平均波速比κ：

(5)

式中δt_i为第i个接收函数中PbS波相比于P波的时间延迟，Δt_i为第i个接收函数第一个波峰和第一个波谷之间的时差，其余参数和式 (2) 一致.图 4为利用该方法对松辽盆地地区的NE68台站接收函数的处理结果，图 4a为未经处理的接收函数，可以看到，莫霍面Ps转换波被沉积层产生混响效应掩盖，图 4b为图 4a中接收函数的归一化自相关函数，图 4c为经滤波后的接收函数，从中可以看到明显的莫霍面转换波和多次波震相.图 4d和4e分别为去沉积层影响前后的H-κ叠加结果，经处理后台站下方地壳厚度和平均波速比分别为34.4 km和1.77，与Yu等 (2015)处理结果35 km，1.75基本一致.

图 4

Fig. 4

图 4 (a) 为NE68台站的原始接收函数，(b) 为 (a) 中接收函数的归一化自相关函数，(c) 为去低速层影响后的接收函数，(d，e) 分别为去沉积层影响前后的H-κ叠加结果 (c) 中虚线为对应H-κ叠加结果 (e) 的理论时差. Fig. 4 (a) Raw receiver functions (RFs) of NE68 station plotted against ray parameters. (b) Autocorrelations of each RFs in (a) against ray parameters. (c) Resulting RFs after the application of resonance removal filters. (d, e) Contours of stacking energy from H-κ stacking using the RFs shown in (a) and (c), respectively Dashed lines in (c) represent theoretical time-difference of result in (e).

与H-κ叠加只能获得单个台站下方地壳结构不同，CCP叠加 (Dueker and Sheehan, 1997) 可以获得测线上莫霍界面结构的连续变化.该方法基本思想为将接收函数由时间域反投影到深度域进行叠加，用设定深度的间断面将地下空间分隔开，并给定速度模型进行射线追踪，记录射线在各个间断面的穿透点位置，并计算该穿透点产生的Ps转换波与直达P波的到时差，把该时差对应的接收函数的幅值作为这个穿透点的能量.将所有接收函数都反投影到深度域后，在每个间断面上按一定间距取共转换点，以该点为中心，将孔径内的所有穿透点的能量进行叠加，作为该转换点的能量进行成像.本次研究的深度范围为0~100 km，相邻间断面深度差为0.5 km，转换点间距为0.2°，速度模型采用IASP91一维速度模型 (Kennett and Engdahl, 1991).

H-κ叠加结果显示 (图 5)，中国东北地区地壳厚度的变化范围为27.1 km到44.3 km, 平均厚度为33.81 km，和Tao等 (2014b)的研究结果基本一致.地壳厚度最小的地方在台站NEA7附近，位于松辽盆地地区；位于大兴安岭褶皱带北缘的GNH台对应研究区最大地壳厚度.研究区地壳厚度分布具有明显的区域性，西部大兴安岭地区地壳厚度普遍较大，平均厚度为38 km；松辽盆地地区整体莫霍界面深度相对较小，平均值约为31.4 km，并呈现由西向东、由南向北逐渐减小趋势，Zhang等 (2014)利用S波接收函数CCP成像方法研究表明，松辽盆地北部地壳厚度小于30 km，并且张广才岭附近莫霍面上翘，Tao等 (2014b)对该区研究表明，松辽盆地地区莫霍面深度变化范围为26.9~35.6 km，平均值为31.7 km，本研究的观测结果与Zhang等 (2014)和Tao等 (2014b)基本相同；东部地区地壳厚度具有较强的不均匀性，变化范围为27.2~42.8 km，张广才岭、长白山地区地壳厚度在39 km左右，而三江盆地和长白山西部地区地壳厚度在31 km左右.研究区波速比平均值为1.758，略大于Tao等 (2014b)的研究结果 (1.748)，波速比变化在整个区域并没有表现明显的规律性，大兴安岭地区波速比在1.75到1.8之间；松辽盆地大部分地区波速比值较大 (大于1.8)，但是在其东北部波速比却小于1.7，Tao等 (2014b)研究结果显示，整个松辽盆地波速比值较大，本研究的观测结果在松辽盆地东北部与Tao等 (2014b)有较大差异.为了验证处理结果的可靠性，采用Bootstrap重采样方法 (Efron and Tibshirani, 1986) 计算各台站的叠加结果的标准差，采样次数为100次，重采样结果显示，所有台站地壳厚度的标准差平均值为0.372 km，波速比标准差平均值为0.036.

图 5

Fig. 5

图 5 东北地区地壳厚度和波速比分布 图中红色三角形为火山位置，黑色三角形表示台站位置，绿色虚线为大兴安岭—太行山重力梯级带. Fig. 5 Distribution of crustal thickness and VP/VS ratio beneath Northeast China Red triangles represent location of volcanoes. Black triangles represent the station. Green dashed line represents the Great Xing′an Range-TaiHang mountain gravity gradient belt.

在研究区内，由于大部分盆地、断裂的走向为北东向，所以由北到南选取了4条与走向近似垂直的的北西—南东向测线进行CCP叠加处理 (图 6e).其中测线AA′穿过五大连池火山区，敦化—密山断裂和依兰—伊通断裂，测线BB′与满绥广角地震剖面位置近似，以便于本研究结果和该剖面进行对比，CC′主要穿过松辽盆地中部和长白山地区，DD′依次经过大兴安岭地区、松辽盆地南侧以及长白山南侧.图 6中黑色虚线为与CCP剖面对应的H-κ叠加结果，从图中可以看出CCP叠加获得的研究区莫霍界面深度变化趋势与H-κ叠加结果近似，西部大兴安岭地区莫霍界面深度比较大，松辽盆地地区莫霍界面有明显的隆起，而东部地区莫霍界面结构相对复杂.在剖面AA′中 (图 6a)，在五大连池火山下方，莫霍界面深度相对周围地区并没有明显变化，但是由于该区数据量较少，所以并不能确定活火山下方莫霍界面结构是否受到岩浆的影响，在松辽盆地和张广才岭交界处 (129°E)，观察到莫霍界面深度在两侧有明显的差异，西侧地区莫霍界面深度在30 km左右，而东侧地区莫霍界面深度大约为40 km，剖面东侧依兰—伊通断裂、敦化—密山断裂之间，莫霍界面情况比较复杂，在20 km和40 km深度处存在两个显著震相.剖面BB′中 (图 6b)，在122°E附近可以看到莫霍面的突然隆起，松辽盆地地区对应较小的莫霍面深度，而到128°E附近，莫霍面深度再次增大.在剖面CC′中 (图 6c)，长白山火山东西两侧莫霍界面深度有较大差异，西侧地区莫霍界面比较平缓，深度在31 km左右，而天池火山附近深度大于40 km.剖面DD′中 (图 6d)，莫霍界面深度出现一个陡变点，位于119°E附近，对应位置为大兴安岭褶皱带与松辽盆地南侧的交界处，莫霍界面在该点处急剧隆起.剖面CC′和DD′西北端均穿过大兴安岭西部的二连盆地，该盆地Moho面深度约为39 km，平均波速比约为1.77，表现为高波速比结构，其地壳组成可能以中酸性岩为主，表明该盆地结构相对稳定.

图 6

Fig. 6

图 6 CCP叠加结果 (a—d) 为四条测线的叠加结果，图中黑色虚线为对应剖面的H-κ叠加结果，红色三角形对应五大连池火山 (a) 和长白山火山 (c) 位置，(e) 为四条测线位置示意图. Fig. 6 Results of CCP stacking (a—d) CCP results of 4 profiles. Black dashed lines correspond to their H-κ stacking results. Red triangles are the location of the Wudalianchi volcano (a) and Changbai volcano (c). (e) Location of four cross-sections.

H-κ叠加和CCP叠加结果显示 (图 5a，6)，东北地区地壳厚度和地表高程总体上呈镜像关系，这种镜像关系在大兴安岭和松辽盆地地区较为明显，大兴安岭地区和松辽盆地之间地表高程骤降，对应莫霍界面深度的陡减，并在交界处形成一个莫霍界面深度陡变带，展布方向为北东向，与松辽盆地展布方向一致，和大兴安岭—太行山重力梯级带近重合.在CCP剖面BB′，CC′中 (图 6b, 6c)，陡变带西侧莫霍界面深度约为38 km，而东侧约为33 km，东西侧莫霍界面深度差约为5 km，满绥地震剖面显示，重力梯级带两侧地壳厚度差约为3~5 km (杨宝俊等, 1996, 于平等，2012)，本研究结果与广角地震剖面的结果基本一致.在地壳厚度陡变带东侧，存在一个大范围条带状薄地壳区域 (图 5a)，走向和松辽盆地走向一致，从北到南穿过三个不同的构造单元：包括北部的小兴安岭地区、中部松辽盆地以及南部的华北北缘造山带.这三个构造单元分别形成于不同时期，其中华北北缘造山带与古亚洲洋闭合有关，形成于二叠纪 (Chen et al., 2000)，北部小兴安岭地区形成于三叠纪 (曲晖等，2015)，而松辽盆地地区地壳减薄，目前认为与侏罗纪时期蒙古—鄂霍茨克洋闭合及其后期的太平洋俯冲产生的拉伸作用有关 (刘和甫等，2000；Wang et al., 2002).三个不同时期形成的构造域具有相似的地壳结构特征，说明它们可能共同受后期的构造作用影响.推测蒙古—鄂霍茨克洋闭合及其后期的太平洋俯冲构造作用，不仅拉伸改造了松辽盆地地区的地壳结构，其影响区域还包括北部的小兴安岭地区和南部的华北北缘造山带地区.地壳厚度陡变带西侧莫霍面深度由东向西逐渐增加，而对应的波速比变化正好相反 (图 5)，由东向西呈减小趋势，即波速比随地壳厚度增加而减小，高延光和李永华 (2014)认为，大兴安岭地壳结构在形成过程中，地壳的增厚以长英质上地壳增厚为主，其波速比变化可能也与陡变带东侧地壳构造拉伸作用有关，本研究同样支持这一观点，并且认为这可以作为该陡变带是西太平洋俯冲构造运动的西界的证据之一.

图 7为接收函数H-κ叠加和CCP叠加研究结果与满绥广角地震剖面莫霍界面深度对比.从图中可以看出，三种方法得到的莫霍界面深度变化趋势基本相同，但接收函数的观测结果要略浅于广角地震观测结果，这可能是因为广角地震主要反映地壳的P波速度结构，而接收函数研究则主要对地壳的S波速度结构更敏感；广角地震测深数据反映了莫霍面的精细结构，而接收函数研究则对Moho界面的渐变更为敏感 (高延光和李永华，2014).图 7中两条竖直虚线为松辽盆地与大兴安岭和张广才岭的分界线，在松辽盆地内，莫霍界面深度由松辽盆地西边界向东逐渐减小，直到张广才岭地区莫霍界面开始下凹，Tao等 (2014b)的接收函数研究结果在该区也具有相似的结果，推测这种莫霍界面结构的形成可能有三个原因，一是侏罗纪时期蒙古—鄂霍茨克洋闭合，由于西伯利亚克拉通比较稳定，碰撞导致地壳在缝合线后产生褶皱 (Meng, 2003)，造成大兴安岭及其邻近的松辽盆地西侧地壳厚度增加；第二个原因为松辽盆地西侧地区地壳结构新生代受到太平洋板块的俯冲作用影响，且松辽盆地的西边界可能为西太平洋俯冲构造域的西界，在该边界西侧以挤压作用为主，东侧以拉伸作用为主 (杨宝俊等, 1996, 2006；田有等，2011)，松辽盆地西侧的地块在俯冲板块作用下向西运动，在松辽盆地西侧遇到阻力产生堆积，从而使地壳厚度增加；另一个可能的原因为，东北地区在新生代经历了大规模的火山运动 (Liu et al., 2001；Chen et al., 2003)，张广才岭、长白山周边地区地幔热物质大规模上涌破坏了莫霍界面结构，并对下地壳形成底侵作用，松辽盆地东侧莫霍界面结构受此影响向上隆起，从而产生松辽盆地内莫霍界面倾斜的现象.中、新生代的火山运动目前认为与太平洋俯冲板块有关 (Chen et al., 2003)，由此认为，太平洋板块的俯冲作用可能为造成松辽盆地内莫霍界面倾斜的主要原因.

图 7

Fig. 7

图 7 接收函数观测莫霍面深度与GGT广角地震观测结果对比 图中实线为H-κ叠加结果及其标准差，其他两种线型分别为CCP叠加和广角地震观测结果.垂向虚线代表松辽盆地边界. Fig. 7 Contrast of receiver function and wide angle reflection′s observation Solid line is H-κ stacking result with standard deviations. Other two lines represent the CCP stacking and wide angle reflection results, respectively. Vertical dashed lines are boundary of the Songliao basin.

长白山及其周边地区一直以来都是研究的重点区域，本次研究在该地区台站分布密度较高，因此有利于获得该区更精细的地壳结构.H-κ叠加显示 (图 5a)，天池火山及其东部地区地壳厚度较大，厚度最大处位于天池火山处，地壳厚度约为41 km，同时其也对应最大波速比，约为1.84，而长白山西侧地区地壳厚度较小，平均为31 km左右，平均波速比为1.73左右.本次研究获得的长白山及其周边地区地壳结构观测结果和前人研究结果基本一致，但是在天池火山附近地区地壳厚度要略大于之前的研究 (Hetland et al., 2004；杨卓欣等, 2005；刘志等，2005；Liu and Niu, 2011).该区大地电磁资料显示，在天池火山附近地壳内存在低阻体，并且发现低阻区域向深部延伸，推测该低阻体可能为岩浆囊 (汤吉等，1997；仇根根等，2014).大量地震层析成像研究表明，长白山地区东侧地壳上地幔存在大面积的低速异常 (如van der Hist et al., 1991；Zhao et al., 2009).Zhao等 (2009), Zhao和Tian (2013)认为，太平洋板块向上地幔俯冲，由于板块断层内携带大量的水分，在高温高压环境下，这些水分被释放，并在410 km间断面附近造成地幔物质部分熔融，由于地幔对流作用这些热物质上涌，一部分保留在上地幔和地壳中，表现为低阻、低速异常.基于以上地球物理资料，结合本研究成像结果，推测长白山地区天池火山附近由于地壳内存在大量的来自地幔的铁镁质物质，这些物质具有较高的温度，从而使地壳内物质产生部分熔融，所以地壳结构表现为大于1.8的高波速比 (O′Connell and Budiansky, 1974；Mavko, 1980).而西侧地区地壳厚度较小，对应波速比也相对较低，暗示该地区地壳内可能不存在高温熔融物质.

CCP叠加剖面可以更直观地反映研究区地壳结构特征，图 6剖面BB′，CC′和DD′中，在重力梯级带附近都可以观测到和H-κ叠加结果一致的莫霍面错断现象，这种错断现象在剖面DD′中尤其明显，可能暗示重力梯级带的南端受到太平洋板块俯冲构造影响更强.剖面CC′中，在124°E附近莫霍界面结构局部有错断的现象，这可能与分布在该区域的依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂有关 (图 6c，6e)，即这两条断裂活动的影响区域可能深入到莫霍界面以下，Guo等 (2012)在该地区也得到相似的结论.在剖面AA′中 (图 6a)，在129°E处莫霍界面存在明显错断，在该处西部为小兴安岭地区，莫霍界面深度在30 km左右，中东部为张广才岭地区，莫霍界面深度约为40 km，两侧莫霍界面深度差大约为10 km，东侧较大的莫霍界面深度可能与岩浆作用和佳木斯地块持续的北西向挤压有关 (邵济安等，2013).在剖面AA′中东部，依兰—伊通断裂与敦化—密山断裂之间，莫霍界面结构比较复杂，可以观测到多重复杂震相现象，其中较浅的震相对应深度约为20 km，另一个震相深度与周围地区莫霍界面深度基本一致，约为40 km.目前认为依兰—伊通断裂与敦化—密山断裂的形成可能与太平洋板块的俯冲作用有关 (如Liu et al., 2001；Ren et al., 2002).张广成等 (2013b)推测板块俯冲作用是导致依兰—伊通断裂与敦化—密山断裂之间呈现复杂的莫霍界面结构的主要原因，板块俯冲过程中产生西向的挤压作用，应力的长期积累导致地壳产生错断，继续的挤压产生双莫霍界面结构.本次研究在该区域和张广成等的观测结果相似，本研究同样认为依兰—伊通断裂与敦化—密山断裂之间区域的复杂的下地壳结构可能与太平洋板块俯冲作用有关，但是对于该区双莫霍界面的解释认为还需要更多地震学研究进行论证.近些年来随着地震学资料的丰富，对该区域地壳上地幔速度结构有了新的认识，最新的背景噪声和接收函数联合反演结果显示该地区下地壳20 km深度以下存在高速异常，并且该异常延伸到上地幔深度 (Guo et al., 2015)，这可以认为是存在地幔物质上涌的证据，结合这些观测资料，本研究认为产生该区复杂的下地壳结构的可能的原因为：中、新生代时期太平洋板块俯冲产生地幔对流 (Zhao et al., 2009; Faccenna et al., 2010)，导致地幔物质上涌, 该地区下地壳结构被上涌的地幔物质破坏，这些地幔物质停留在下地壳，造成局部的速度异常，在地壳内产生新的间断面，而原有的莫霍界面由于受到这种底侵作用的影响，间断面变得模糊，从而产生这种局部多重震相的现象.

利用分布在东北地区的259个台站的数据对该区地壳结构进行了研究，通过接收函数H-κ和CCP叠加成像，获得高分辨率的地壳厚度和波速比分布.通过对观测结果的分析得出以下结论：

(1) 东北地区莫霍界面深度和地表高程总体呈镜像关系，大兴安岭地区、张广才岭地区、长白山地区地壳厚度较大，松辽盆地及其周边区域、三江盆地区域地壳较薄.大兴安岭—太行山重力梯级带东西两侧莫霍界面深度产生陡变，在该陡变带东侧，存在一条带状的薄地壳区域，其中间部位为松辽盆地地区，推测不仅松辽盆地地区，其南部的华北北缘造山带地区和北部的小兴安岭地区同样受到中生代后的地壳拉伸作用影响.

(2) 长白山火山附近地壳厚度较大，对应高波速比，推测在该区地壳内可能存在岩浆囊.

(3) 西太平洋板块俯冲作用对东北地区地壳结构影响较大，松辽盆地地区、东部佳木斯地块和长白山地区都可以观测到俯冲板块对地壳结构的改造作用.大兴安岭东西部盆地地壳结构差异显著，西部盆地地壳厚度在40 km左右，结构稳定，而东部松辽盆地地区地壳厚度平均值为31.7 km，表明东、西部盆地的形成机制具有较大的差异，西太平洋板块的俯冲是否在大兴安岭西部盆地形成和演化过程中起到关键的作用需要更多地质、地球物理证据给予约束.

本次研究获得了东北地区高分辨率的地壳结构，但是由于在48°N以北地区台站分布较少，对该区的地壳结构缺少有效的约束，所以认为对于东北地区的地壳结构的研究还需要更多数据的加入，获得更精细的观测结果.

NECESSArray台网和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”为本研究提供了部分地震波形数据；两位评审专家和主编提出了宝贵的修改意见，在此表示感谢.