應用接收函數方法研究海南及其鄰區地幔轉換帶結構

王晨陽，黃金莉

中國地震局地震預測研究所，北京 100036

應用接收函數方法研究海南及其鄰區地幔轉換帶結構

王晨陽，黃金莉＊

中國地震局地震預測研究所，北京 100036

利用海南、廣東及廣西區域臺網和國家臺網共88個寬頻帶地震臺站記錄的2007年8月至2010年3月75個遠震事件波形資料，采用接收函數共面元疊加的方法，得到了海南及其鄰區上地幔410km和660km間斷面結構和轉換帶厚度.結果表明，研究區410km間斷面形態較復雜，局部下沉到447km，而660km間斷面相對簡單，其深度分布在670km左右.海南島東北部存在一個直徑約200km的轉換帶異常薄的區域，其厚度較全球平均值薄25±5km，相當于轉換帶中存在約180℃的高溫異常，轉換帶厚度局部偏薄暗示海南地幔柱可能起源于下地幔.

海南地幔柱，接收函數，上地幔410km和660km間斷面，轉換帶厚度

1 引 言

海南及其鄰區位于歐亞、印－澳、菲律賓海三大板塊的交匯部位.自新生代以來，該區發生了10期59回次的火山噴發活動，形成了100余座火山，火山巖溶的分布面積達4000km2［1］.Maruyama［2］認為南海南部巖石圈下存在著地幔柱，Lebedev等［3］采用地震層析成像得到的S波速度結構顯示海南火山下存在低速異常.全球模型［4－5］揭示海南附近可能存在地幔柱，并起源于下地幔.但全球模型中的低速異常空間范圍較大，且形態很不確定.中國大陸及鄰區高分辨率層析成像模型揭示的海南火山區下低速異常的位置和形態與全球模型很不相同，從200 km到900km深度層上低速異常基本集中在海南附近，其范圍要小［6］.Lei等［7］應用海南和雷州半島的9個區域地震臺站資料得到的區域層析成像模型顯示海南火山下方低速異常從地表向下傾斜延伸至研究區底部大約300km深.已有的層析成像結果表明由于分辨率或研究深度的限制對海南地幔柱的存在范圍和起源深度有較大的爭議.

地幔轉換帶是界于上地幔410km間斷面和660km間斷面（下文簡稱‘410’和‘660’）之間的區域，這兩個間斷面的形態會受到溫度的影響而產生變化，當高溫的地幔柱通過410和660時會使其分別向下和向上移動，并導致地幔轉換帶變薄.因此，可以通過研究上地幔間斷面形態和轉換帶厚度的變化探討地幔柱的存在范圍和起源.國際上一些學者采用接收函數方法分別研究了夏威夷、冰島及南太平洋等地幔柱［8－13］.也有研究者應用接收函數方法得到海南島瓊中臺（QIZ）下方上地幔間斷面埋藏深度［14］和地幔轉換帶厚度［15］，結果表明該臺站下方地幔轉換帶厚度減薄，但由于他們的研究只用到了一個地震臺站的資料，其結果存在較大的不確定性，且無法反映該區地幔轉換帶厚度的橫向變化，因而不能判定地幔柱可能存在的范圍.本次研究利用海南及鄰區88個寬頻帶地震臺站記錄的遠震波形資料，采用接收函數方法得到了該區410和660的結構和地幔轉換帶厚度的橫向變化，并根據這一結果探討了海南地幔柱的存在范圍及起源.

2 數據與方法

2.1 觀測數據

本次研究應用了海南、廣東和廣西區域數字地震臺網及國家臺網共88個寬頻帶地震臺站記錄的遠震波形資料（圖1），從發生在2007年8月到2010年3月、震中距在30°～90°之間的、震級大于5.5級的529個遠震事件中精心挑選出P波初動清晰、信噪比較高的75個遠震事件進行了接收函數分析（圖2）.

圖1 研究中所用臺站及轉換點分布圖小三角形為地震臺站，大三角形為海南火山，黑點代表射線在410km間斷面的轉換點，兩條相互垂直的線為圖4中接收函數剖面的位置.Fig.1 Distribution of seismic stations used in this study and piercing pointsThe small triangles represent seismic stations.The big triangle represents Hainan volcano.The dots denote piercing points at 410km discontinuity.The two perpendicular lines are the locations of receiver function profiles shown in Fig.4.

圖2 研究中所用遠震事件分布實心圓為遠震事件，三角形顯示了地震臺網的中心位置.Fig.2 Distribution of teleseismic events used in this studyThe solid circles represent teleseismic events.The triangle shows the center of the seismic network.

2.2 數據處理

遠震P波接收函數是三分量遠震記錄的垂直分量與水平分量做反卷積后得到的時間序列，避免了天然地震震源及傳播路徑等因素的影響，主要與臺站下方的結構有關.接收函數方法是利用遠震P波在臺站下方地震波速度間斷面處的轉換波（Ps）與直達P波的到時差來獲取相應間斷面的深度，它是研究地震臺站下方地殼、上地幔速度間斷面結構的有效方法［16］.

在資料處理中，截取P波初動前80s到初動后100s的地震波形，先將地震記錄的兩個水平分量進行旋轉得到徑向分量和切向分量，然后用垂向分量對徑向分量做反卷積得到接收函數.應用頻率域反卷積方法提取接收函數［17］，高斯系數取為3.1，共得到接收函數3595條.將接收函數直達P波振幅值與反卷積結果中前60s數據標準方差的比值作為信噪比，為了盡量提高結果的質量，同時保證數據量，根據以往經驗我們剔除了信噪比小于25的接收函數.按照上述規則共挑選到徑向接收函數1842條.圖3以平果臺（PGX）為例給出了信噪比大于25的全部接收函數.

為了加強轉換波信號，采用共面元疊加的方法將挑選出的接收函數進行疊加.首先，將全部接收函數校正到參考震中距67°，以消除震中距不同對轉換波到時的影響.每個方形面元的邊長設為200km，水平方向上面元的移動步長為66km，垂直方向上面元的間距為10km.然后計算接收函數射線在不同深度上入射點的位置（圖1），并把入射點位于同一面元的接收函數進行n次方根（n＝2）疊加［8，18］.疊加后的接收函數中直達P波在410的轉換波（P410s）和在660的轉換波（P660s）得到了加強.

圖3 信噪比大于25的平果臺（PGX）全部接收函數兩條曲線分別代表由ISAP91模型計算得到的P410s和P660s參考到時.Fig.3 Receiver functions of PGX station with SNR greater than 25are shown as examples.The two curved lines show the reference arriving time calculated with IASP91model for P410sand P660s，respectively.

應用ISAP91模型把疊加后的接收函數由時間域轉換到了深度域.為了保障結果的可靠性，只有當位于400km和700km處面元中接收函數的個數都大于50時才拾取P410s和P660s的深度.最后，由660的深度減去410的深度計算得到地幔轉換帶的厚度.

3 結果及解釋

3.1 410km和660km間斷面的結構

經過上述數據處理過程，得到了研究區下方410和660的結構和轉換帶厚度.圖4為接收函數疊加剖面，其中（c）、（d）為相應于時間剖面（a）、（b）疊后又經接收函數偏移的深度剖面（剖面位置見圖1）.圖中410和660的深度沿著正波峰最大值處拾取.時間域剖面中P660s與P410s之差1s的變化相當于轉換帶厚度約10km的變化.在深度剖面AA′中（圖4c），410存在明顯的起伏，其深度在剖面最西端107.7°E處為415km，沿著剖面向東在111.3°E處大幅下沉到447km，繼續向東在114.6°E處上升到417km，在剖面的最東端117.2°E處又下降到432km.另外，410在深度變化的過渡區域還存在局部分層的現象，這可能是由于在同一疊加面元中同時存在對正常深度和下沉的410采樣的接收函數所導致.而660卻相對簡單平緩，其深度分布在670km左右.在深度剖面BB′中（圖4d），410的深度在17.8°N到22°N之間逐漸由422km下降至440km，在22.6°N上升到426km，之后基本平緩直至24.1°N.660則在17.8°N到22.6°N之間由679km逐漸抬升到671km，而在23.2°N到24.1°N之間為678km左右.總體看來，研究區下方410深度變化較大，并局部大幅下沉，而660則相對簡單平緩.剖面BB′中，410和660在20.2°N至22.6°N之間存在反相關，即410下沉對應660上升，但410下沉的幅度大于660相對上升的幅度.為了更清楚地看到整個研究區兩個間斷面的深度變化情況，圖5給出了410和660的深度分布.圖中顯示相對于全球410的平均深度，研究區內410普遍下沉，特別是在海南火山東北部呈現大幅下沉，最深達447km；660起伏相對較小，普遍存在著小幅下沉，660的小幅下沉可能與研究區上地幔存在低速異常有關.本文采用ISAP91速度模型進行時深轉換，計算結果表明，410km之上的全部上地幔中2%的均勻速度異常可以引起410km和660km兩個間斷面視深度同向變化約10km，在中國大陸及鄰區高分辨率層析成像模型中海南及其鄰區上地幔地震波速度異常均小于2%［6］，因此，結果中兩個間斷面的深度受410km之上地幔速度結構的影響小于10km.

3.2 轉換帶厚度

圖5 410km和660km間斷面深度分布（a）410km間斷面深度分布；（b）660km間斷面深度分布；大三角形表示海南火山，小三角形表示瓊中臺位置.各圖的下方分別給出了深度色標.Fig.5 The 410km and 660km discontinuity depth maps（a）The 410km discontinuity depth map.（b）The 660km discontinuity depth map.The big triangle represents Hainan volcano.The small triangle shows the location of QIZ seismic station.The depth color bars are shown below each figure.

圖4 接收函數疊加剖面圖沿經度和緯度方向的接收函數疊加剖面圖（剖面位置見圖1）.（a）和（b）為時間域接收函數疊加剖面，黑色細線分別為P410s和P660s參考到時；（c）和（d）為深度域接收函數疊加剖面，黑色細線分別標出了410km和660km深度位置.紅色和藍色分別代表正的波峰和負的波峰.Fig.4 Stacked receiver function profilesStacked receiver function profiles along latitude and longitude direction.（a）、（b）Stacked time－domain receiver function profile.The thin blacklines show the reference time of P410sand P660s；（c）、（d）Stacked depth－domain receiver function profile.The thin blacklines show the depth of 410km and 660km.Red and blue colors represent positive and negative phases，respectively.

圖6 研究區地幔轉換帶厚度分布紅色和藍色分別代表與全球平均值相比，轉換帶偏薄和較厚的區域.圖中給出了厚度色標.紅色三角形表示海南火山，黑色三角形表示瓊中臺位置.Fig.6 The transition zone thickness（TZT）variation beneath the study areaRed and blue colors represent thinner and thicker TZT relative to global average value.The color bar is shown in the figure.The red triangle represents Hainan volcano.The black triangle shows the location of QIZ seismic station.

410和660的深度和結構容易受到計算中所用的速度模型影響.由于P410s和P660s的傳播路徑在410km以上區域基本相同，因此P410s和P660s的到時差不受410km之上的速度模型影響，而只與地幔轉換帶厚度及其內部的地震波速分布有關.溫度變化會同時影響轉換帶的厚度和速度，但其引起的地震波速度變化對到時差的影響與到時的拾取誤差差不多，而其引起的轉換帶厚度變化對到時差的影響則大得多.因此由到時差確定的轉換帶厚度可以較好的判斷轉換帶內部的溫度變化［19］.圖6給出了研究區地幔轉換帶厚度的分布，結果表明研究區內地幔轉換帶厚度存在明顯的橫向變化.研究區轉換帶厚度的平均值為244km.在海南島的東北方存在一個直徑約200km的轉換帶異常薄的區域，其厚度為225±5km，比全球地幔轉換帶厚度平均值小25±5km，而在其周圍地幔轉換帶厚度接近全球平均值.本文得到的轉換帶異常薄的區域的位置與Lebedev層析成像模型中海南地區470～600km深度上低速異常的位置大致一致［3］，但本研究結果中轉換帶厚度異常薄的區域范圍要小于Lebedev模型中低速異常的分布范圍.

4 討 論

4.1 轉換帶中的熱異常

目前一般認為410為α相橄欖石到β相尖晶石的相變面，而660為γ相尖晶石到鈣鈦礦加方鎂鐵礦的相變面.巖石礦物學的實驗結果表明，410km處相變面的克拉伯龍斜率為正值，而660km處相變的克拉伯龍斜率為負值［20］，因此，溫度增加會使410下降和660抬升，導致轉換帶變薄.轉換帶厚度10km的變化對應于約70℃的溫度變化，本次研究得到的轉換帶厚度減薄25±5km相當于轉換帶中存在約180℃的高溫異常.我們認為海南島東北方地幔轉換帶減薄暗示著高溫的海南地幔柱存在于轉換帶中.

已有研究表明，一些主要的熱點下方地幔轉換帶厚度也出現了明顯的減薄，加拉帕格斯群島下方地幔轉換帶減薄約25km［12］，其減薄值與本研究中轉換帶異常減薄的幅值大小相當.而冰島［8］和夏威夷［10］熱點下方地幔轉換帶分別減薄了20km和40km，分別對應轉換帶中存在約150℃和300℃的高溫異常，海南島東北方轉換帶中的熱異常值介于冰島和夏威夷下方轉換帶中熱異常值之間.

4.2 海南地幔柱的起源

Courtillot把熱點的起源深度分為三類［21］：（1）上地幔.此類熱點的起源可能與軟流層對流及巖石圈的構造、應力和斷裂有關［22］.本研究得到的結果說明海南地幔柱的起源深度至少在410之下.（2）地幔轉換帶底部.超級地幔柱上涌到達轉換帶底部，進而促使小規模的地幔柱在轉換帶底部進一步上涌.（3）下地幔底部.核幔邊界上方D″層小規模的不穩定對流可以使熱柱上涌［23］.數值模擬和實驗研究表明，如果熱柱起源于地幔轉換帶底部的熱邊界層，則熱邊界層高溫異常的水平范圍需要遠大于熱柱的直徑［24］，這樣的高溫異常會使轉換帶厚度在大范圍內減小.本次研究得到海南島東北方200km直徑范圍轉換帶厚度減薄而其周圍轉換帶厚度基本正常的結果說明海南地幔柱不可能起源于轉換帶底部.因此，海南島東北方轉換帶厚度局部減薄暗示海南地幔柱可能起源于下地幔.研究區下方410存在局部大幅度下沉，相應于410大幅下沉區660的相對抬升幅度較小，這一現象可能是轉換帶中存在低速異常和660對溫度的敏感性相對較低造成的，這一結果與Niu等［9］對南太平洋超級地幔柱的研究結果類似.

同位素與巖石化學資料表明雷州半島與海南島北部幔源物質具有洋島玄武巖（OIB）和大洋中脊玄武巖（MORB）的過渡特征，同時受到古俯沖帶物質加入的影響［25］.海南地幔柱的形成可能與太平洋板塊和菲律賓板塊從東向西俯沖、印度板塊從西向東俯沖有關［26］.板塊俯沖到下地幔底部可導致熱物質上涌穿過轉換帶，并最終到達地表，從而形成熱點［27］.

5 結 論

本文利用海南、廣東和廣西區域地震臺網和國家地震臺網共88個寬頻帶地震臺站記錄的遠震數據，采用接收函數方法得到了海南及其鄰區410和660的結構與轉換帶厚度.結果表明研究區下方410存在局部大幅度下沉，最大下沉至447km，而660起伏較小.海南島東北方存在直徑約200km的地幔轉換帶厚度異常減薄區域，其厚度比全球平均值薄25±5km，相當于轉換帶中存在約180℃的高溫異常.這一結果在近年層析成像和地球化學研究得到的南海及周邊地區可能存在地幔柱的推論基礎上，提供了新的地震學證據，并對海南地幔柱存在的空間范圍有了較好的限定，本研究揭示的地幔轉換帶厚度局部減薄進一步暗示海南地幔柱起源于下地幔.

致 謝 美國羅得島大學Yang Shen教授為本研究提供了接收函數提取和疊加程序，國家數字測震臺網數據備份中心提供了部分遠震波形數據［28］，三位審稿專家提出了寶貴的意見和建議，在此一并致謝！

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Mantle transition zone structure around Hainan by receiver function analysis

WANG Chen－Yang，HUANG Jin－Li＊
Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing100036，China

We have obtained the upper mantle 410km discontinuity and 660－km discontinuity structure and transition zone thickness around Hainan by using receiver function method.The data used in this study was teleseismic waveforms recorded by 88seismic stations of Hainan，Guangdong and Guangxi Regional Seismic Network and National Seismic Network during August，2007to March，2010.Our results show that the structure of 410km discontinuity is complex in this region，it is depressed to 447km locally.The 660km discontinuity is simple relatively，with the depth around 670km.Transition zone is thinned anomalously by 25±5km within an area approximately 200km in diameter centered northeast of Hainan island，this anomaly is consistent with an excess temperature of～180℃.The locally thinned transition zone implies that Hainan plume originates from lower mantle.

Hainan plume，Receiver function，Upper mantle 410km and 660km discontinuity，Transition zone thickness

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.012

P315

2011－04－14，2012－03－12收修定稿

國家自然科學基金項目（40774040，91114205）資助.

王晨陽，男，1985年生，碩士，主要從事接收函數應用研究，現就職于中國國土資源航空物探遙感中心.E－mail：wcyseis＠139.com

＊通訊作者黃金莉，女，1962年生，研究員，主要從事地球內部結構研究.E－mail：hjl＠seis.ac.cn

王晨陽，黃金莉.應用接收函數方法研究海南及其鄰區地幔轉換帶結構.地球物理學報，2012，55（4）：1161－1167，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.012.

Wang C Y，Huang J L.Mantle transition zone structure around Hainan by receiver function analysis.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1161－1167，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.012.

（本文編輯 汪海英）