以中國東北為主體的東北亞大陸是由多個微陸塊俯沖、碰撞而成的拼貼體，自中生代以來深受(古)太平洋和蒙古-鄂霍次克兩大構造體系的疊加作用和改造。已有大量的地震成像結果顯示，太平洋闆塊在東北亞下方地幔過渡帶中發生了大規模滞留，進而形成全球獨有的、東亞“大地幔楔”（Big Mantle Wedge）系統。是以，大陸東北地區是研究“大地幔楔”系統内部過程及其對上覆闆塊改造效應的理想地區。地震各向異性描述了地震波速度對方向的依賴性，記錄了地下媒體曾經或現在的動力學資訊，是窺測地球深部構造變形及物質循環的探針，對地球深部動力學過程具有重要的訓示意義。
中國科學院地質與地球實體所地球與行星實體院重點實驗室楊凡博士、郭廣瑞博士與導師李娟研究員及合作者陳棋福研究員、陳赟副研究員等基于NECSaids密集流動台陣（圖1）記錄的高品質地震波形資料，利用SIMW (Simultaneous Inversion of Multiple Waveforms) 方法對SKS震相分析處理，獲得了跨東北亞大陸（吉林珲春-内蒙二連浩特剖面，全長約2000km）穩定、可靠的剪切波分裂結果。結合已有的S波接收函數、區域層析成像速度模型等，系統探讨了該區域各向異性的空間變化和主要來源深度，給出了跨東北亞大陸地幔動力學的一階特征。
圖1中國東北地區地質構造背景及XKS剪切波分裂結果
剪切波分裂結果分析顯示，各向異性的總體特征以南北重力梯度帶（NSGL，東亞大陸岩石圈的一級特征）為界表現出明顯的分區性。在NSGL以西，快軸方向以ENE為主，較東部地區延遲時間偏小，但在阿巴嘎火山周圍存在複雜的分裂參數。在NSGL以東，快軸方向以NNW為主，大緻平行于闆塊絕對運動方向（APM）的平均值，但在松遼盆地下方的分裂參數比較分散，在長白山地區有較多無分裂結果的台站，這表明該區域産生地震各向異性的機制不唯一，存在區域性的地幔流。更加有趣的是，在NSGL附近200 km的範圍内，快軸方向存在由NNW向NNE系統性的順時針旋轉，這可能與該區域岩石圈厚度發生60-80 km的劇烈變化相對應（圖2b）。
圖2 （a）利用SIMW方法獲得的剪切波分裂結果；（b）沿着台陣所在測線（~43.5°N）的S波速度異常圖；（c）以南北重力梯度帶(118.5°E)為界東西兩側的快軸方向和延遲時間的統計直方圖
研究結果表明，南北重力梯度帶西側岩石圈總體較穩定，變形程度弱或有限，而東側受西太平洋俯沖闆塊誘發的岩石圈拆沉等作用形成了複雜的區域性地幔流。岩石圈厚度的階躍性變化（keel）導緻了局部區域地幔流動的轉向或旋轉，該現象在美國東部（West et al., 2009; Yang et al., 2017）和鄂爾多斯東北部（Li et al., 2020）也有展現，這種Keel-Deflected 的地幔流動模式首次在中國東北地區被明确提出（圖3）。對于限制局部地區（如長白山火山、阿巴嘎火山）下方地幔流動模式的細節特征還需要聯合多方法的地球實體學資料、地球化學的觀測結果和三維地球動力學模拟等加以驗證。
圖3 (a) 研究區域内SKS剪切波分裂測量結果；(b) 東北亞大陸下方Keel-Deflected地幔流動模式示意圖
研究成果發表于國際學術期刊GRL（楊凡，郭廣瑞，李娟*，陳棋福，陳赟，陳思丹. Panoptic view of mantle flow beneath trans-continental Northeast Asia: Distinct variation detected from ～2,000 km shear wave splitting profile [J] . Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2021GL097116. DOI: 10.1029/2021GL097116。該成果受到國家自然科學基金項目（42074063、41774065、41774058）、中國科學院戰略先導專項計劃(B)項目(XDB18000000)和中國科學院地質與地球實體研究所重點部署項目（IGGCAS-201904）的資助。
美編：陳菲菲
校對：萬鵬