範興利等-Geology：岩石圈結構差異對中國東北地區第四紀火山鉀質和鈉質玄武岩漿起源的控制作用
中國東北地區松遼盆地北緣及其東西兩翼發育眾多的第四紀板內火山，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）。這些年輕板內火山的形成機制及其深部動力學過程是涉及西太平洋地球系統多圈層相互作用的核心科學問題，也是推進解決與板塊深俯衝相關重大地球科學問題的關鍵。前人的大尺度地震層析成像、火山岩石地球化學以及地球動力學模擬等研究揭示東北地區板內火山的形成與西太平洋板塊向歐亞大陸俯衝並滯留於地幔轉換帶的過程密切相關。然而，已有研究難以解釋東北地區第四紀玄武岩為何會在地球化學屬性上表現出顯著的空間差異性（圖1A）——位於松遼盆地北緣的五大連池和諾敏河等區域性區域出露典型的高鉀玄武岩，與東北地區其它普通鈉質火山岩相比在元素地球化學性質上呈現出多方面的異常特徵。針對這些高鉀玄武岩的成因，已有的岩石學和地球化學研究結果仍存在很大爭議，不同研究分別提出了岩石圈地幔、軟流圈地幔和地幔轉換帶等多種岩漿起源模式。
圖1（A）中國東北地區構造簡圖。綠色和品紅色區域分別代表第四紀普通鈉質和高鉀玄武岩的地表分佈。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。紫色實線代表繪製圖2中5條縱剖面（aa’、bb’、cc’、dd’和ee’）的地表位置；（B）本研究所 用的地震臺站分佈
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室2019屆博士生範興利（現南方科技大學博士後）與陳棋福研究員、艾印雙研究員和陳凌研究員等人，透過彙集東北地區近年來佈設的多個密集流動地震臺陣和區域固定臺網的地震波形資料，採用背景噪聲和雙平面波成像方法建立了研究區域高精度的殼幔三維剪下波速度模型（圖2）。成像結果顯示長白山火山、龍崗火山、鏡泊湖火山、阿巴嘎火山和哈拉哈火山區下方上地幔頂部呈現顯著低波速異常，表明上湧的軟流圈可能已經到達（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為相對高速，可能指示該區存在岩石圈地幔。結合前人火山岩石地球化學的研究結果，推測東北地區包括長白山火山在內的鈉質玄武岩主要來自於上湧的軟流圈地幔，而五大連池和諾敏河火山的高鉀玄武岩則是軟流圈低程度熔體與上覆岩石圈地幔相互作用的產物（圖3）。這一研究結果揭示，東北地區岩石圈結構的橫向差異控制了第四紀板內火山玄武岩的起源及其地球化學屬性。
圖2 橫跨火山區的5條縱剖面剪下波絕對速度模型。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，其內部岩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俯衝誘發的軟流圈-岩石圈地幔相互作用在強度和尺度上也出現顯著的空間差異性，最終造成東北地區現今觀測的岩石圈結構的強烈橫向不均一性和岩漿性質的迥異特徵。以上是針對中國東北地區岩石圈結構產生顯著橫向差異原因的一種可能解釋，未來還需要聯合多學科觀測結果和三維地球動力學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
研究成果發表於國際權威學術期刊Geology（範興利，陳棋福*，艾印雙*，陳凌，姜明明，吳慶舉，郭震. Quaternary sodic and potassic intraplatevolcanism in northeast China controlled by the underlying heterogeneouslithospheric structures[J]. Geology, 2021, 49. DOI: 10.1130/G48932.1）。該成果受到國家自然科學基金專案（91958209，42004033，41474040，41688103，41774058）和廣東省基礎與應用基礎研究基金（2019A1515110307）的聯合資助。
校對：姜雪蛟
