2017, Vol. 60
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
中国东北地区位于西北太平洋俯冲弧后地区，地处中朝克拉通北部与西伯利亚克拉通之间.由于西太平洋板块向西俯冲，在日本海形成的俯冲带的前端深入到中国东北地区的汪清与穆棱一带(孙文斌和和跃时，2004)，并大面积滞留在地幔过渡带中(Huang and Zhao, 2006).西北太平洋板块的这种深俯冲作用是中国唯一深震带——珲春附近深源地震的动力来源(张立敏和唐晓敏，1983)，对这一地区构造活动有重大影响(张凤鸣等，2007).位于松辽盆地东南部的研究区域构造演化复杂，分布有郯庐断裂北延部分的敦化—密山和依兰—伊通两条大断裂，以及长白山、龙岗和镜泊湖等3个新生代火山群(图 1).
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图 1 研究区主要地质构造及台站位置分布 红色三角形表示流动台站，蓝色正方形表示固定台站，SLB表示松辽盆地，YY Fault和DM Fault分别表示依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂，ZGC Range、LY Range和CBM分别表示张广才岭、老爷岭和长白山山脉，JBHV、LGV和CBV分别表示镜泊湖火山、龙岗火山和长白山火山，白色虚线为太平洋板块俯冲深度等值线，黑色细线表示断层. Fig. 1 Tectonic sketch and distribution of seismic stations of study area The red triangles denote the NECsaids portable stations and the blue squares denote the CSN permanent stations. The SLB denotes the Songliao basin, the YY Fault and DM Fault denote the Yilan-Yitong fault and the Dunhua-Mishan fault, respectively. The ZGC Range, LY Range and CBM denote the Zhangguangcai Range, the Laoye Range and the Changbaishan mountain, respectively. The JBHV, LGV and CBV denote the Jingpohu Volcano, the Longgang Volcano and Changbaishan Volcano, respectively. The white dashed lines show the depth contours of the subduced Pacific plate and the thin black lines represent faults. |
位于中朝边境的长白山火山区包括有以长白山天池、望天鹅和南炮台火山3个主要喷发中心的长白山火山群、龙岗火山群以及图们江火山岩区等(刘嘉麒等，2015).长白山火山是一座规模巨大的板内层状复式火山(刘嘉麒等，2015)，在地质历史时期发生过多次大规模喷发，约在公元938—946年的“千年大喷发”被认为是有记载的全球最大规模的火山喷发之一(刘嘉麒等, 2015；Wei et al., 2013)，其喷出的火山灰甚至在北极格陵兰地区的冰芯中都有记录(Sun et al., 2014).在“千年大喷发”之后，长白山火山至少在1668、1702、1903年有发生过火山喷发活动的记录(Chu et al., 2011; Xu et al., 2012; Wei et al., 2013; 魏海泉, 2014).在2002—2006年间，长白山天池火山区的地震活动明显增加(吴建平等，2005; Xu et al., 2012)，GPS和水准测量及温泉的火山气体组份观测等都显示长白山火山在2002—2006年出现了不稳定性(Liu et al., 2011; Xu et al., 2012)，似乎证实和加剧了其再次喷发的潜在可能性(刘若新等, 1999; Stone, 2010, 2011; Xu et al., 2012; 魏海泉, 2014; 刘嘉麒等, 2015).
长白山火山区内的龙岗火山群，是中国境内最为典型的单成因火山作用发育区之一(魏海泉等, 1999)，位于吉林省靖宇县与辉南县龙岗山脉中段的100多座火山活动始于新近纪，第四纪更新世为鼎盛期，全新世以来仍有较强的喷发活动(白志达等，2006)，最年轻的金龙顶子火山的最新喷发距今约1500~1600年(樊祺诚等，2002).
相距约100 km的长白山火山群和龙岗火山群，在构造上同样位于东北裂谷系最外侧的敦化—密山断裂以东地区，都受东北亚构造体系制约，与太平洋板块俯冲和东亚大陆裂谷系密切相关(刘嘉麒等, 2015).但二者展现的显著不同火山成因类型(多成因和单成因，魏海泉等，1999)，尤其是对长白山新生代火山区内特殊发育的龙岗单成因作用区的特殊深部构造背景，虽已采用天然地震观测、大地电磁测深和人工地震勘探等对长白山火山区及更大范围的中国东北地区开展了深部结构探测研究(汤吉等，2001; 张先康等，2002; 雷建设和赵大鹏，2004; Lei and Zhao, 2005; 杨卓欣等，2005; 段永红等，2005; Zhao et al., 2009; Zhao and Tian, 2013; Duan et al., 2009; Wu et al., 2009; 田有等, 2011; Zheng et al., 2011; Li et al., 2012; 李皎皎等, 2012; 张风雪等, 2013; 张广成等, 2013; 冯暄等, 2013; 潘佳铁等, 2014; Tao et al., 2014; Tang et al., 2014; Ranasinghe et al., 2015; Guo et al., 2015, 2016; Liu et al., 2015; Kang et al., 2016; 付媛媛和高原, 2016; Fu et al., 2016)，但所获得的深部速度结构，多只关注较大尺度的速度异常，缺乏对长白山火山和龙岗火山下方精细速度结构的对比分析.即使是对长白山火山的岩浆系统，不同的探测方法虽均显示在长白山火山下方存在高温岩浆房，但关于岩浆房的位置和形态至今仍存在较大争议(郭文峰等，2015).
为探测长白山火山和龙岗火山深部的精细速度结构，本文将利用探测深俯冲区的中国东北地震台阵NECsaids的密集观测资料(Wang et al., 2016)，并结合CSN固定地震台站的连续波形数据，采用有效探测火山区下方岩浆囊的地震背景噪声成像方法(Masterlark et al., 2010; Nagaoka et al., 2012; Seats and Lawrence, 2014; Li et al., 2016)，对长白山火山区的速度结构变化进行探讨.
2 地震数据和处理方法 2.1 地震数据本研究利用了探测深俯冲的中国东北地震台阵NECsaids(NorthEast China Seismic Array to Investigate Deep Subduction)密集布设的60个流动地震台站(Wang et al., 2016)和由国家测震台网数据备份中心提供的CSN 67个固定地震台站的垂向连续波形数据(郑秀芬等，2009)，台站分布如图 1所示，时间跨度从2010年7月到2014年12月.研究区域内固定台站和流动地震台站采用的仪器类型见表 1，这些台站分布密集、观测周期长、射线覆盖良好，为本区域速度结构精细研究提供了良好的基础.
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表 1 本研究所用地震台站的地震计和采集器统计 Table 1 Statistics of seismometers and digitizers for stations used in this study |
数据处理过程主要参考了Bensen等(2007)介绍的由宽频带背景噪声数据提取面波频散曲线的方法，简要概括如下：连续观测的地震数据在除去仪器响应之后，重采样为1 Hz，并进行去均值、去线性趋势处理；然后对它们进行时域归一化处理，其目的是去除地震信号、仪器故障引起的畸变信号以及地震台站附近显著干扰.本研究所采用的时域归一化的方法为滑动绝对值平均法(Bensen et al., 2007).该方法首先对原始数据dn进行带通滤波(15~50 s)得到
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进而用原始数据除以权重得到归一化的时间序列
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图 2 台站XYN(a)、台站EN14(b)和台站NS01(c)与其他台站间的经验格林函数 Fig. 2 Estimated Green Functions (EGFs) between station XYN (a), EN14(b), NS01(c) and other stations respectively |
本研究采用自动时频分析法(Levshin et al., 1989)进行频散曲线的提取(图 3)，主要包括8个步骤：(1) 求取分析信号的包络函数，绘制二维的时频图像；(2) 对于各周期，追踪包络函数的最大值得到原始的频散曲线；(3) 在选定的周期范围内应用相匹配滤波处理；(4) 采用反频散滤波产生非离散信号；(5) 识别干扰信号，并从反频散信号中将其去除；(6) 对干净的反频散信号进行重离散；(7) 依照(1) 中的方法得到新的时频图像；(8) 重新追踪非周期时频函数的峰值，提取所需的频散曲线.
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图 3 牡丹江台(MDJ)与铁岭台(TIL)之间的经验格林函数提取的瑞雷波频散曲线 (a)初始波形测量的频散曲线; (b)相位匹配滤波后测量的频散曲线.黑色虚线为相速度频散曲线，蓝色实线为群速度频散曲线. Fig. 3 The Rayleigh wave dispersion measured from estimated Green Function between station MDJ and station TIL (a) The Rayleigh wave dispersion measured from raw data; (b) The Rayleigh wave dispersion measured from phase-match filtered data. The black dashes represent the phase velocity dispersion curve and the blue lines represent the group velocity dispersion curve. |
理论上，任意台站对之间都可以通过互相关计算得到经验格林函数，但并不是每个格林函数都能提取到高质量的频散曲线.故在对频散曲线进行成像反演之前，需要按照一定的标准对频散曲线进行筛选.本研究主要通过以下准则来控制频散曲线的质量：(1) 对研究区简易布设的流动地震台，在寒冬冻土可能导致台基倾斜而致使较长周期的地震计飘死，故需要将这部分数据在互相关叠加之前进行剔除；(2) 选取信噪比SNR大于10的经验格林函数进行频散曲线测量，SNR采用文献(Bensen et al., 2007)的定义，即信号窗内信号的最大值和噪声窗内噪声的均方根的比值，即
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图 4 (a)、(b)和(c)分别是8 s、16 s和35 s周期的具有高信噪比，并能测出可靠相速度频散曲线的台站对以及它们之间的射线分布, (d)是不同周期用于成像的射线数目 Fig. 4 (a), (b), (c) are station pairs and the path coverage between them that have high signal-to-noise ratio and reliable dispersion measurements can be obtained; (d) is the number of paths at each period that used for tomography inversion |
本研究采用Barmin等(2001)提出的面波成像反演方法来获取研究区域的瑞雷面波相速度分布.该方法建立在球坐标系下，使用了节点法进行模型参数化，选取连接源点和接收点的大圆路径作为射线路径.反演过程中通过引入由模型适配度、空间平滑项与模型加权平均范数的约束项组成的“罚函数”，并采用最小二乘法来求解.
本研究将研究区划分为0.25°×0.25°的网格进行频散曲线的反演成像.在成像过程中关键的是确定阻尼系数α、β和σ，其中参数α和σ控制空间平滑，增大α或减小σ都会使图像变得平滑，β控制初始模型比重，其值的确定取决于研究区的射线和方位角分布情况.通过反复试验，最终确定了合适的阻尼系数值(α=200，β=1，σ=100)，得到的反演结果如图 5所示.
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图 5 不同周期的瑞雷波相速度成像结果.图中右下角表示参考速度 Fig. 5 Rayleigh-wave phase velocity maps at different periods. The reference velocities are given at the lower right corner at each panel |
得到的成像分辨率由相应的分辨率矩阵表示，即
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其中矩阵R的每行定义了空间格点的分辨率图.为了简化运算，Barmin等(2001)提出了一种新的空间分辨率估计方式，即在分辨率图上目标点处采用一个圆锥体拟合来估计空间分辨率，并使得拟合残差最小，当拟合残差小于10%时，即认为该点是可分辨的，其空间分辨率为圆锥体的直径.图 6显示了据此估算得到的空间分辨率，从中可以看出研究区的分辨率均在50 km以下，在射线覆盖密集地方可分辨尺度在35 km或更小.
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图 6 不同周期的空间分辨率分布图 Fig. 6 The resolution at different periods |
瑞雷面波相速度对于地球深部S波速度比较敏感，一般认为基阶瑞雷面波相速度对S波速度结构的最大敏感深度为其三分之一波长(图 7).不同周期的相速度分布图像反映了不同深度范围内的速度构造差异，由图 5给出的8~40 s的瑞雷波相速度扰动分布显示出中国东北深俯冲区地壳不同地质构造单元的较大差异变化.
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图 7 由ak135模型计算的瑞雷面波相速度的深度敏感核 Fig. 7 Depth-sensitivity kernels of Rayleigh-wave phase velocity calculated from ak135 model |
周期8~12 s相速度分布(图 5)主要反映了中上地壳速度结构特征.在研究区西北的松辽盆地显示了明显的低速，而郯庐断裂北延部分的依兰—伊通断裂以东的张广才岭、老爷岭、长白山山脉等则显示大面积的高速，展示了瑞雷面波相速度分布与浅表地质构造单元的明显相关性，同时也表明地壳浅层的速度结构明显受到深大断裂的影响.在这些周期的图像上，在郯庐断裂带以东存在速度异常体，尤其是长白山火山下方存在面积较大的低速异常.
周期16~25 s相速度分布(图 5)主要反映了中下地壳速度结构特征.从图 5可见该周期范围的速度结构基本上仍延续较短周期的变化特征，张广才岭、老爷岭、长白山山脉仍以相对高速为主，松辽盆地地区以相对低速为主；但随着周期变长，异常的相对幅值变小，说明随着深度增加，浅部地质构造单元对速度结构的影响逐渐变小.在长白山火山下方，仍能观察到较为明显的低速异常，且展布范围随着周期增长有逐渐变大的迹象.
周期30~40 s相速度分布(图 5)主要反映了下地壳及上地幔顶部的速度结构特征，地壳厚度和莫霍面上下的速度差异对于该周期范围的结构影响较大.随着周期的增长，松辽盆地下方由相对低速逐渐转变为相对高速，体现了松辽盆地下方较薄的地壳厚度(Tao et al., 2014)对该周期范围内相速度分布的影响.在郯庐断裂带以东地区，特别是长白山火山区、龙岗火山区和邻近的镜泊湖火山区下方则出现了较大范围的低速异常，展现了可能与火山区下方岩浆系统有关的特征.
4 S波速度结构反演在获得的相速度分布基础上，进一步得到了0.25°×0.25°网格的纯路径频散，进而采用最小二乘迭代线性反演程序surf96(Herrmann, 2013)反演每个格点下方的一维速度结构.因反演过程中给定的初始模型越接近真实的区域结构，反演解的非唯一性越小，故我们采用了Shen等(Shen et al., 2016)新近反演给出模型中有关本研究区的相应格点结果作为反演的S波初始模型，并采用由较密集地震台阵的接收函数反演的地壳平均纵横波速度比(Tao et al., 2014)来约束地壳中的相应P波速度，莫霍面的深度也以这两篇文献(Shen et al., 2016; Tao et al., 2014)的结果为约束，地幔中的P波速度用Vp=1.732Vs来计算，密度由经验公式ρ=0.32+0.77Vp计算得到，每层的厚度固定为0.5 km，反演深度取为50 km.反演过程最多迭代10次，为了增强反演的稳定性，前两次迭代取相对较大的阻尼因子(D=10)，后面迭代取的阻尼因子为D=0.5.图 8示意给出了2个格点一维S波速度结构和频散曲线的拟合情况，可以看出由反演得到的S波速度计算的理论频散曲线与格点下方的纯路径频散曲线拟合甚好.参照瑞雷面波相速度的敏感核曲线(图 7)，针对我们重点关注的长白山火山区的地壳S波速度结构，我们在格点速度结构反演基础上，通过线性插值获得了整个研究区的S波三维速度结构.图 9展示了10 km、20 km、30 km、40 km和50 km深度的水平剖面图，图 10和图 11分别展示了S波绝对速度纵剖面和S波相对速度扰动纵剖面，纵剖面的位置见图 9.
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图 8 研究区内2个格点(a、b：128.0°E，44.75°N；c、d：124.0°E，44.0°N)S波速度反演的数据拟合示意图 (a)、(c)为反演的初始速度模型(黑线)和最终模型(红线)；(b)、(d)中空心圆点为测量的离散频散点，红色实线为最终S波模型计算得到的理论频散曲线. Fig. 8 S wave velocity inversion results and data fit at two grids (a、b:128.0°E, 44.75°N; c、d:124.0°E, 44.0°N) (a) and (c) show the reference (black) and final (red) models, (c) and (d) show measured dispersions (circles) and theoretical dispersions calculated from the final model (red line). |
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图 9 研究区内不同深度的S波速度分布，10 km深度图中红色实线为图 10和11的剖面位置 Fig. 9 S wave velocity at different depths in the study area. The red lines at 10 km depth show the cross profiles of Fig. 10 and 11 |
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图 10 火山区下方的S波速度结构剖面图，剖面位置见图 9 Fig. 10 S-wave velocity profiles across volcano areas showed in Fig. 9 |
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图 11 火山区下方的S波相对速度结构剖面图(a、b、c，剖面位置见图 9)及参考的研究区平均S波速度 Fig. 11 S-wave velocity perturbation profiles across volcano areas showed in Fig. 9 (a, b, c) and the referred average 1-D velocity (d) |
10~20 km深度的速度分布图像(图 9)与周期8~12 s(图 5)的相速度扰动分布大体一致，展现出山脉地区相对高速与盆地地区相对低速的总体结构特征，而在长白山火山和龙岗火山下方的低速异常则反映了深部可能存在的岩浆系统；30 km深度的速度分布与10~20 km的速度分布有所不同，总体上展现为山脉地区下方的低速与松辽盆地东南等地的相对高速分布图像，长白山山脉及张广才岭和老爷岭等30 km深处的低速异常在20 km深度分布中就有所展现，而松辽盆地东南处的相对高速展现的是该处上地幔顶部的S波速度结构，这与Tao等(Tao et al., 2014)给出的松辽盆地东南的莫霍面深度约为27 km相一致；40 km和50 km深度的速度分布(图 9)与周期30~40 s(图 5)相速度分布比较一致，反映了研究区地壳底部和上地幔顶部的区域深部热侵蚀作用的结构特征，尤其是长白山火山区.
4.2 火山下方的S波速度结构针对本研究重点关注的火山区深部的速度结构，下面将以图 10和图 11所示的3个纵剖面进行分析.图 10展示的是3个纵剖面的绝对S波速度分布，图 11展示的为3个纵剖面的S波速度扰动分布，其参考速度为最终反演得到的研究区平均的一维S波速度(图 11d).由于莫霍面是一个速度突变面，莫霍面上下速度存在较大跳变，以区域平均速度得到的S波速度扰动变化难以兼顾局部莫霍面深度变化导致的速度跳变影响，在莫霍面附近可能会产生虚假的速度扰动变化异常，因此本文仅讨论图 11中最浅莫霍面之上的结果.
由图 10可见，在研究区的长白山火山和龙岗火山及邻近的镜泊湖火山下方的莫霍面周围的速度变化梯度较附近区域的要小一些，并且长白山火山和镜泊湖火山下方的莫霍面深度展现出比其附近的区域深一些，这可能反映了长白山火山和镜泊湖火山下方的岩浆上涌及上地幔物质侵入的迹象；另一个较明显的特征是在龙岗火山和长白山火山下方都存在明显的低速区.
长白山火山下方的低速区大概从9 km到30 km处，并有向下延伸的趋势，最显著的低速异常分布在东北侧，在近东西向剖面(图 10a)似乎可区分为两支，近南北向剖面(图 10b)上可见其跨度约为100 km，这与前人研究中在长白山火山区下方地壳内发现岩浆存储区(汤吉等，2001；张先康等，2002；段永红等，2005；Song et al., 2007)的结果基本一致，可能是长白山火山的地壳岩浆囊.汤吉等(2001)利用大地电磁测深探测的结果表明在长白山天池及其以北和以东地区约12 km深处存在向下延伸反映地壳岩浆囊的低阻体，但岩浆囊在不同方向探测剖面表现的形态各异.仇根根等(2014)对2012年跨越长白山天池火山口的一条近南北偏东向的大地电磁测深剖面，也得到了相似的结果，发现长白山火山下方存在直立型的岩浆通道，该通道在约5~8 km位置形成关闭；在火山口下方往北方向附近埋深约7 km深处存在一个与岩浆通道对接的明显低阻异常体，推测其可能是地表浅部发育的岩浆囊；在长白山北山门附近，深度约7~17 km处有直立型低阻带；在长白山火山口南部约20 km位置向北，深度约13~30 km之间广泛发育明显的低阻异常体，推测其可能是活动的岩浆囊.人工地震测深的结果(张先康等，2002；张成科等，2002；王夫运等，2002；Song et al., 2007)发现长白山天池火山口下方9 km深度至下地壳存在一倒三角状低速体，所勾画出的长白山天池火山区岩浆系统的近似南北走向分布轮廓为：南北延伸80~90 km, 东西向宽度较小, 可能为30~40 km左右，且存在岩浆自上地幔侵入地壳的“痕迹”.远震接收函数(段永红等，2005；Wu et al., 2009)的结果也表明在长白山天池火山区地壳内部存在明显的S波低速层.
与前述结果相比而言，本研究结果中可能反映长白山火山下方岩浆系统的低速异常的深度范围大体一致，横向分布尺度上较三维深地震测深的结果(张先康等，2002)稍大(南北和东西约大10~15 km)，这反映了不同探测方法对不同介质物性的敏感度差异不同及利用的频率不同所导致的分辨率限制.但总的来说，在长白山火山下方10 km至下地壳存在与岩浆系统相关联的一个范围较广的低速低阻异常区.岩石热力学模拟(郭文峰等，2015)显示，长白山天池火山喷发物中主体的造盾低MgO玄武岩是在地壳(18~27 km)中演化后喷出的，而喷发的粗面质岩浆是由碱性玄武岩在15~18 km结晶分异形成的，这一模拟结果与前人和本研究的地球物理探测的结果相互印证.考虑到S波低速异常与P波相比对部分熔融更为敏感，因此，我们认为长白山火山下方的低速异常可能是火山的地壳岩浆囊.
本研究采用基于地震背景噪声成像获得了长白山火山下方S波速度结构，与人工地震测深的速度结构具有良好的一致性，有利于我们也用获得的S波速度结构对同属于长白山火山区的龙岗火山(刘嘉麒等，2015)下方的深部特征进行分析.在龙岗火山下方12~30 km深度范围内也可见到稍弱的低速异常区(图 10a)，并似乎存在向上连接到地表和向下延伸的通道.尽管龙岗火山与长白山天池火山和望天鹅火山有着相似的特征，即有相似的来自地幔的粗面玄武质岩浆源区，但经历了不同的演化过程(樊祺诚等，1999).与长白山天池火山和望天鹅火山岩浆经历了由基性玄武质岩浆向酸性粗面质-碱流质岩浆的演化不同，龙岗火山来自地幔源区的岩浆上升过程中极少演化和壳源混染，没有经历地壳岩浆房阶段，形成了单一的粗面玄武岩区(樊祺诚等，1999).结合岩石地球化学的观测结果，以及龙岗火山和长白山火山最新的喷发活动时间差异(1500~1600年前与1903年)，我们推测龙岗火山下方的弱低速异常很可能是岩浆向上喷发后的残留，本反演研究可分辨的龙岗火山下方地壳内部不存在明显的岩浆系统，这与龙岗火山为的典型的单成因火山作用区是相符的.
由图 10b、10c和图 11b、11c可见，在邻近长白山火山的镜泊湖火山区下方地壳内不存在明显的低速异常，而且似乎存在较为明显的高速异常，这与Fu等(2016)勒夫面波成像结果显示镜泊湖火山区下方的相对高速扰动异常、大地电磁测深(崔业林和崔东源，2001；朱仁学等，2001)得到的镜泊湖火山下方地表几百米到几十公里深为高阻层以及远震接收函数(段永红等，2005)得到的镜泊湖火山口森林附近30~40 km可能存在低速区的结果基本相符，与岩石地球化学资料(张招崇等，1999)由该地区玄武岩Sr、Nd、Pb同位素比值说明来源于地幔源区的岩浆在上升过程中没有遭受地壳物质的混染作用，即镜泊湖火山下方地壳内可能不存在部分熔融的岩浆物质是一致的.
5 结论本文利用布设在中国东北深俯冲区的NECsaids台阵60个流动地震台站和67个固定地震台站的多年连续观测数据，利用地震背景噪声成像反演方法得到了研究区6~40 s周期的瑞雷波相速度分布，并反演得到该地区的地壳三维S波速度结构，分析得到如下主要结论：
(1) 短周期(8~12 s)的瑞雷波相速度分布和浅表地质构造密切相关，松辽盆地主要为低速，山区主要为高速；随着周期的增大(16~25 s)，瑞雷波相速度异常的幅值逐渐减弱；长周期(30~40 s)的相速度分布反映了研究区的中下地壳及上地幔顶部的变化特征与火山区下方岩浆系统有关的结构特征.
(2) 在拥有地壳和地幔两个岩浆房的长白山火山(樊祺诚等，2007)下方，本研究获得的9~30 km深度范围内存在着明显低速异常区并有向下延伸趋势的结果，与三维人工地震测深得到的低速体范围(张先康等，2002)相当一致，极可能是长白山火山的地壳岩浆囊.而2002—2006年展现的长白山火山不稳定性事件，在三维人工地震测深(张先康等，2002)和本反演研究得到的结果上似不存在显著变化.
(3) 在单成因的龙岗火山下方12~30 km深度范围内发现了较弱的低速异常区，推测为龙岗火山岩浆喷发后的残留.在与龙岗火山一样源于地幔源区岩浆活动的镜泊湖火山下方地壳内没有明显的低速异常展现，说明镜泊湖火山下方地壳内可能不存在部分熔融的岩浆物质.
本文对研究区三个新生代活火山群下方地壳速度结构获得的新结果，受限于研究方法的分辨尺度，还无法对具有潜在喷发可能性的长白山火山的地幔岩浆房提供约束信息，需要结合地震面波等资料进一步开展更加精细的研究.
致谢感谢2位评审专家提出的修改完善建议，以及参与探测深深俯冲区的中国东北地震台阵(NECsaids台阵)的架设和维护人员.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(doi:10.7914/SN/CB)为本研究提供了固定地震台的地震波形数据.
| Bai Z D, Xu D B, Zhang B L, et al. 2006. Study on type and phase of quaternary explosive volcanism in Longgang volcanic cluster. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 22(6): 1473-1480. | |
| Barmin M P, Ritzwoller M H, Levshin A L. 2001. A fast and reliable method for surface wave tomography. Pure and Applied Geophysics, 158(8): 1351-1375. DOI:10.1007/PL00001225 | |
| Bensen G D, Ritzwoller M H, Barmin M P, et al. 2007. Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broad-band surface wave dispersion measurements. Geophysical Journal International, 169(3): 1239-1260. DOI:10.1111/gji.2007.169.issue-3 | |
| Chu K S, Tsuji Y, Baag C E, et al. 2011. Volcanic eruptions of Mt. Baekdu (Changbai) occurring in historical times. Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo, 86(1-2): 11-27. | |
| Cui Y L, Cui D Y. 2001. The discussion of geoelectric sounding in Jingbohu volcanic zone, Heilongjiang province. Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese), 22(6): 49-52. | |
| Duan Y H, Zhang X K, Liu Z, et al. 2005. A study on crustal structures of Changbaishan-Jingpohu volcanic area using receiver functions. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 48(2): 352-358. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.02.017 | |
| Duan Y H, Zhao D P, Zhang X K, et al. 2009. Seismic structure and origin of active intraplate volcanoes in northeast Asia. Tectonophysics, 470(3-4): 257-266. DOI:10.1016/j.tecto.2009.01.004 | |
| Fan Q C, Liu R X, Wei H Q, et al. 1999. The petrology and geochemistry of Jinlongdingzi modern active volcano in Longgang area. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 15(4): 584-589. | |
| Fan Q C, Sui J L, Li N, et al. 2007. The magmatism and interactive eruption of the two magma chambers in the Tianchi volcano, Changbaishan. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry (in Chinese), 26(4): 315-318. | |
| Fan Q C, Sui J L, Liu R X, et al. 2002. Periods of quartern ary volcanic activity in Longgang area, Jilin province. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 18(4): 495-500. | |
| Feng X, Chi H Z, Liu C, et al. 2013. Three-dimension velocity structure of crust and upper mantle in Changbai mountain and its adjacent areas. Journal of Jilin University (Earth Science) (in Chinese), 43(3): 983-992. | |
| Fu Y V, Gao Y, Li A B, et al. 2016. Origin of intraplate volcanism in northeast China from Love wave constraints. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 121(11): 8099-8112. DOI:10.1002/jgrb.v121.11 | |
| Fu Y Y, Gao Y. 2016. Phase velocity tomography of Rayleigh and Love waves using ambient noise in Northeast China. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 59(2): 494-503. DOI:10.6038/cjg20160209 | |
| Guo W F, Liu J Q, Xu W G, et al. 2015. Reassessment of the magma system beneath Tianchi volcano, Changbaishan: Phase equilibria constraints. Chinese Science Bulletion, 60(35): 3489-3500. | |
| Guo Z, Chen Y J, Ning J Y, et al. 2015. High resolution 3-D crustal structure beneath NE China from joint inversion of ambient noise and receiver functions using NECESSArray data. Earth and Planetary Science Letters, 416: 1-11. DOI:10.1016/j.epsl.2015.01.044 | |
| Guo Z, Chen Y J, Ning J Y, et al. 2016. Seismic evidence of on-going sublithosphere upper mantle convection for intra-plate volcanism in Northeast China. Earth and Planetary Science Letters, 433: 31-43. DOI:10.1016/j.epsl.2015.09.035 | |
| Herrmann R B. 2013. Computer programs in seismology: an evolving tool for instruction and research. Seismological Research Letters, 84(6): 1081-1088. DOI:10.1785/0220110096 | |
| Huang J L, Zhao D P. 2006. High-resolution mantle tomography of China and surrounding regions. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 111(B9): B09305. DOI:10.1029/2005JB004066 | |
| Kang D, Shen W S, Ning J Y, et al. 2016. Seismic evidence for lithospheric modification associated with intracontinental volcanism in northeastern China. Geophysical Journal International, 204(1): 215-235. | |
| Lei J S, Zhao D P. 2004. The relationship between the origin of the intraplate Changbai volcano and the subducting Pacific slab. Advances in Earth Science, 19(3): 364-367. | |
| Lei J S, Zhao D P. 2005. P-wave tomography and origin of the Changbai intraplate volcano in Northeast Asia. Tectonophysics, 397(3-4): 281-295. DOI:10.1016/j.tecto.2004.12.009 | |
| Levshin A L, Yanovskaya T B, Lander A V, et al. 1989. Seismic surface waves in a laterally inhomogeneous Earth. Modern Approaches in Geophysics, 9: 131-169. DOI:10.1007/978-94-009-0883-3 | |
| Li J J, Huang J L, Liu Z K. 2012. Lithosphere velocity structure of Northeast China from ambient noise and surface wavet Tomography. Earthquake (in Chinese), 32(4): 22-32. | |
| Li Y H, Wu Q J, Pan J T, et al. 2012. S-wave velocity structure of northeastern China from joint inversion of Rayleigh wave phase and group velocities. Geophysical Journal International, 190(1): 105-115. DOI:10.1111/gji.2012.190.issue-1 | |
| Li Z W, Ni S D, Zhang B L, et al. 2016. Shallow magma chamber under the Wudalianchi Volcanic Field unveiled by seismic imaging with dense array. Geophysical Research Letters, 43(10): 4954-4961. DOI:10.1002/2016GL068895 | |
| Liu G M, Yang J K, Wang L J, et al. 2011. Analysis of Tianchi volcano activity in Changbai mountain, NE China. Global Geology, 14(1): 45-53. | |
| Liu J Q, Chen S S, Guo W F, et al. 2015. Research advances in the Mt. Changbai volcano. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry (in Chinese), 34(4): 710-723. | |
| Liu R X, Fan Q C, Wei H Q, et al. 1999. Study on active volcanoes of China. Geological Review (in Chinese), 45(7): 3-15. | |
| Liu Z, Niu F L, Chen Y J, et al. 2015. Receiver function images of the mantle transition zone beneath NE China: New constraints on intraplate volcanism, deep subduction and their potential link. Earth and Planetary Science Letters, 412: 101-111. DOI:10.1016/j.epsl.2014.12.019 | |
| Masterlark T, Haney M, Dickinson H, et al. 2010. Rheologic and structural controls on the deformation of Okmok volcano, Alaska: FEMs, InSAR, and ambient noise tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 115(B2): B02409. DOI:10.1029/2009JB006324 | |
| Nagaoka Y, Nishida K, Aoki Y, et al. 2012. Seismic imaging of magma chamber beneath an active volcano. Earth and Planetary Science Letters, 333-334: 1-8. DOI:10.1016/j.epsl.2012.03.034 | |
| Pan J T, Wu Q J, Li Y H, et al. 2014. Ambient noise tomography in northeast China. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 57(3): 812-821. DOI:10.6038/cjg20140311 | |
| Qiu G G, Pei F G, Fang H, et al. 2014. Analysis of magma chamber at the Tianchi volcano area in Changbai mountain. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 57(10): 3466-3477. DOI:10.6038/cjg20141032 | |
| Ranasinghe N R, Gallegos A C, Trujillo A R, et al. 2015. Lg attenuation in northeast China using NECESSArray data. Geophysical Journal International, 200(1): 67-76. | |
| Seats K J, Lawrence J F. 2014. The seismic structure beneath the Yellowstone Volcano Field from ambient seismic noise. Geophysical Research Letters, 41(23): 8277-8282. DOI:10.1002/2014GL061913 | |
| Shen W S, Ritzwoller M H, Kang D, et al. 2016. A seismic reference model for the crust and uppermost mantle beneath China from surface wave dispersion. Geophysical Journal International, 206(2): 954-979. DOI:10.1093/gji/ggw175 | |
| Song J L, Hetland E A, Wu F T, et al. 2007. P-wave velocity structure under the Changbaishan volcanic region, NE China, from wide-angle reflection and refraction data. Tectonophysics, 433(1-4): 127-139. DOI:10.1016/j.tecto.2006.09.012 | |
| Stone R. 2010. Is China's riskiest volcano stirring or merely biding its time?. Science, 329(5991): 498-499. | |
| Stone R. 2011. Vigil at North Korea's mount doom. Science, 334(6056): 584-588. DOI:10.1126/science.334.6056.584 | |
| Sun C Q, Plunkett G, Liu J Q, et al. 2014. Ash from Changbaishan Millennium eruption recorded in Greenland ice: Implications for determining the eruption's timing and impact. Geophysical Research Letters, 41(2): 694-701. DOI:10.1002/2013GL058642 | |
| Sun W B, He Y S. 2004. The feature of seismicity in northeast China and its relation to the subduction of the Japan sea plate. Seismology and Geology (in Chinese), 26(1): 122-132. | |
| Tang J, Deng Q H, Zhao G Z, et al. 2001. Electric conductivity and magma chamber at the Tianchi volcano area in Changbaishan mountain. Seismology and Geology (in Chinese), 23(2): 191-200. | |
| Tang Y C, Obayashi M, Niu F L, et al. 2014. Changbaishan volcanism in northeast China linked to subduction-induced mantle upwelling. Nature Geoscience, 7(6): 470-475. DOI:10.1038/ngeo2166 | |
| Tao K, Niu F L, Ning J Y, et al. 2014. Crustal structure beneath NE China imaged by NECESSArray receiver function data. Earth and Planetary Science Letters, 398: 48-57. DOI:10.1016/j.epsl.2014.04.043 | |
| Tian Y, Liu C, Feng X. 2011. P-wave velocity structure of crust and upper mantle in Northeast China and its control on the formation of mineral and energy. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 54(2): 407-414. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.017 | |
| Wang F Y, Zhang X K, Yang Z X. 2002. 2-D crustal structure of Changbaishan-Tianchi volcanic region determined by seismic traveltime inversion. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 15(2): 144-152, 223. | |
| Wang X, Chen Q F, Li J, et al. 2016. Seismic sensor misorientation measurement using P-wave particle motion: an application to the NECsaids Array. Seismological Research Letters, 87(4): 901-911. DOI:10.1785/0220160005 | |
| Wei H Q. 2014. Tianchi Volcano, Changbaishan (in Chinese). Beijing: Seismological Press: 448. | |
| Wei H Q, Liu G M, Gill J. 2013. Review of eruptive activity at Tianchi volcano, Changbaishan, northeast China: Implications for possible future eruptions. Bulletin of Volcanology, 75: 706. DOI:10.1007/s00445-013-0706-5 | |
| Wei H Q, Liu R X, Fan Q C, et al. 1999. Monogenetic volcanism in Longgang volcano clusters. Geological Review (in Chinese), 45(7): 325-331. | |
| Wu J P, Ming Y H, Fang L H, et al. 2009. S-wave velocity structure beneath Changbaishan volcano inferred from receiver function. Earthquake Science, 22(4): 409-416. DOI:10.1007/s11589-009-0409-3 | |
| Wu J P, Ming Y H, Zhang H R, et al. 2005. Seismic activity at the Changbaishan Tianchi volcano in the summer of 2002. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 48(3): 621-628. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.03.020 | |
| Xu J D, Liu G M, Wu J P, et al. 2012. Recent unrest of Changbaishan volcano, northeast China: A precursor of a future eruption?. Geophysical Research Letters, 39(16): L16305. DOI:10.1029/2012GL052600 | |
| Yang Z X, Zhang X K, Zhao J R, et al. 2005. Tomographic determination of 3-D crustal structure in Changbaishan-Tianchi volcano region. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 48(1): 107-115. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.01.016 | |
| Yang Y J, Ritzwoller M H, Levshin A L, et al. 2007. Ambient noise Rayleigh wave tomography across Europe. Geophysical Journal International, 168(1): 259-274. DOI:10.1111/gji.2007.168.issue-1 | |
| Zhao D P, Tian Y, Lei J S, et al. 2009. Seismic image and origin of the Changbai intraplate volcano in East Asia: role of big mantle wedge above the stagnant pacific slab. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 173(3-4): 197-206. DOI:10.1016/j.pepi.2008.11.009 | |
| Zhao D P, Tian Y. 2013. Changbai intraplate volcanism and deep earthquakes in East Asia: a possible link?. Geophysical Journal International, 195(2): 706-724. DOI:10.1093/gji/ggt289 | |
| Zhang C K, Zhang X K, Zhao J R, et al. 2002. Study on the crustal and upper mantle structure in the Tianchi volcanic region and its adjacent area of Changbaishan. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 45(6): 812-820. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2002.06.008 | |
| Zhang F M, Zhang Y J, Xu X Y, et al. 2007. Dynamic action on the subduction movement of the west part of Japan sea-deep focus earthquake region in northeast area of China to the shallow source earthquake in northeast area. Seismological Research of Northeast China (in Chinese), 23(1): 33-39. | |
| Zhang F X, Wu Q J, Li Y H. 2013. The traveltime tomography study by teleseismic P wave data in the Northeast China area. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(8): 2690-2700. DOI:10.6038/cjg20130818 | |
| Zhang G C, Wu Q J, Pan J T, et al. 2013. Study of crustal structure and Poisson ratio of NE China by H-K stack and CCP stack methods. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(12): 4084-4094. DOI:10.6038/cjg20131213 | |
| Zhang L M, Tang X M. 1983. The underthrusting movement of the western pacific plate and the deep focus earthquake zone of northeast China. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 26(4): 331-340. | |
| Zhang X K, Zhang C K, Zhao J R, et al. 2002. Deep seismic sounding investigation into the deep structure of the magma system in Changbaishan-Tianchi volcanic region. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 24(2): 135-143, 223. | |
| Zhang Z C, Li Z C, Li S C, et al. 1999. Sr, Nd and Pb isotopic compositions of quaternary basalts in the Jingpo Lake area and characteristics of the mantle source. Geological Review (in Chinese), 45(S1): 349-357. | |
| Zheng X F, Ouyang B, Zhang D N, et al. 2009. Technical system construction of Data Backup Centre for China Seismograph Network and the data support to researches on the Wenchuan earthquake. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 52(5): 1412-1417. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.05.031 | |
| Zhu R X, Fu W Z, Meng L S, et al. 2001. Preliminary study on electric structure in the Jingbohu volcano area of the Heilongjiang province. Seismology and Geology (in Chinese), 23(2): 186-190. | |
| Zheng Y, Shen W S, Zhou L Q, et al. 2011. Crust and uppermost mantle beneath the North China Craton, northeastern China, and the Sea of Japan from ambient noise tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 116(B12): B12312. DOI:10.1029/2011JB008637 | |
| 白志达, 徐德斌, 张秉良, 等. 2006. 龙岗火山群第四纪爆破式火山作用类型与期次研究. 岩石学报, 22(6): 1473–1480. | |
| 崔业林, 崔东源. 2001. 黑龙江镜泊湖火山地区大地电测深初探. 地震地磁观测与研究, 22(6): 49–52. | |
| 段永红, 张先康, 刘志, 等. 2005. 长白山—镜泊湖火山区地壳结构接收函数研究. 地球物理学报, 48(2): 352–358. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.02.017 | |
| 樊祺诚, 刘若新, 魏海泉, 等. 1999. 龙岗金垅顶子近代活动火山的岩石学与地球化学. 岩石学报, 15(4): 584–589. | |
| 樊祺诚, 隋建立, 李霓, 等. 2007. 长白山天池火山双岩浆房岩浆作用与互动式喷发. 矿物岩石地球化学通报, 26(4): 315–318. | |
| 樊祺诚, 隋建立, 刘若新, 等. 2002. 吉林龙岗第四纪火山活动分期. 岩石学报, 18(4): 495–500. | |
| 冯暄, 迟唤昭, 刘财, 等. 2013. 长白山及邻区地壳、上地幔顶部三维速度结构. 吉林大学学报(地球科学版), 43(3): 983–992. | |
| 付媛媛, 高原. 2016. 东北地区背景噪声的Rayleigh和Love波相速度层析成像. 地球物理学报, 59(2): 494–503. DOI:10.6038/cjg20160209 | |
| 郭文峰, 刘嘉麒, 徐文刚, 等. 2015. 长白山天池火山岩浆系统再认识:岩石热力学模拟. 科学通报, 60(35): 3489–3500. | |
| 雷建设, 赵大鹏. 2004. 长白山火山的起源和太平洋俯冲板块之间的关系. 地球科学进展, 19(3): 364–367. | |
| 李皎皎, 黄金莉, 刘志坤. 2012. 用背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构. 地震, 32(4): 22–32. | |
| 刘嘉麒, 陈双双, 郭文峰, 等. 2015. 长白山火山研究进展. 矿物岩石地球化学通报, 34(4): 710–723. | |
| 刘若新, 樊祺诚, 魏海泉, 等. 1999. 中国活火山研究. 地质论评, 45(7): 3–15. | |
| 潘佳铁, 吴庆举, 李永华, 等. 2014. 中国东北地区噪声层析成像. 地球物理学报, 57(3): 812–821. DOI:10.6038/cjg20140311 | |
| 仇根根, 裴发根, 方慧, 等. 2014. 长白山天池火山岩浆系统分析. 地球物理学报, 57(10): 3466–3477. DOI:10.6038/cjg20141032 | |
| 孙文斌, 和跃时. 2004. 中国东北地区地震活动特征及其与日本海板块俯冲的关系. 地震地质, 26(1): 122–132. | |
| 汤吉, 邓前辉, 赵国泽, 等. 2001. 长白山天池火山区电性结构和岩浆系统. 地震地质, 23(2): 191–200. | |
| 田有, 刘财, 冯暄. 2011. 中国东北地区地壳、上地幔速度结构及其对矿产能源形成的控制作用. 地球物理学报, 54(2): 407–414. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.017 | |
| 王夫运, 张先康, 杨卓欣. 2002. 用地震走时反演长白山天池火山地区的二维地壳结构. 地震学报, 24(2): 144–152, 223. | |
| 魏海泉. 2014. 长白山天池火山. 北京: 地震出版社: 448. | |
| 魏海泉, 刘若新, 樊祺城, 等. 1999. 龙岗火山群单成因火山作用. 地质论评, 45(7): 325–331. | |
| 吴建平, 明跃红, 张恒荣, 等. 2005. 2002年夏季长白山天池火山区的地震活动研究. 地球物理学报, 48(3): 621–628. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.03.020 | |
| 杨卓欣, 张先康, 赵金仁, 等. 2005. 长白山天池火山区三维地壳结构层析成像. 地球物理学报, 48(1): 107–115. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.01.016 | |
| 张成科, 张先康, 赵金仁, 等. 2002. 长白山天池火山区及邻近地区壳幔结构探测研究. 地球物理学报, 2002, 45(6): 812–820. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2002.06.008 | |
| 张凤鸣, 张亚江, 许晓艳, 等. 2007. 日本海西部—中国东北深震区俯冲运动对东北地区浅源地震的动力作用. 东北地震研究, 23(1): 33–39. | |
| 张风雪, 吴庆举, 李永华. 2013. 中国东北地区远震P波走时层析成像研究. 地球物理学报, 56(8): 2690–2700. DOI:10.6038/cjg20130818 | |
| 张广成, 吴庆举, 潘佳铁, 等. 2013. 利用H-K叠加方法和CCP叠加方法研究中国东北地区地壳结构与泊松比. 地球物理学报, 56(12): 4084–4094. DOI:10.6038/cjg20131213 | |
| 张立敏, 唐晓明. 1983. 西太平洋板块俯冲运动与中国东北深震带. 地球物理学报, 26(4): 331–340. | |
| 张先康, 张成科, 赵金仁, 等. 2002. 长白山天池火山区岩浆系统深部结构的深地震测深研究. 地震学报, 24(2): 135–143, 223. | |
| 张招崇, 李兆鼐, 李树才, 等. 1999. 黑龙江镜泊湖地区第四纪玄武岩的Sr、Nd、Pb同位素组成及其地幔源区特征. 地质论评, 45(S1): 349–357. | |
| 郑秀芬, 欧阳飚, 张东宁, 等. 2009. "国家数字测震台网数据备份中心"技术系统建设及其对汶川大地震研究的数据支撑. 地球物理学报, 52(5): 1412–1417. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.05.031 | |
| 朱仁学, 付维洲, 孟令顺, 等. 2001. 黑龙江镜泊湖火山地区电性结构初步研究. 地震地质, 23(2): 186–190. | |