应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构

王晨阳，黄金莉

中国地震局地震预测研究所，北京 100036

应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构

王晨阳，黄金莉＊

中国地震局地震预测研究所，北京 100036

利用海南、广东及广西区域台网和国家台网共88个宽频带地震台站记录的2007年8月至2010年3月75个远震事件波形资料，采用接收函数共面元叠加的方法，得到了海南及其邻区上地幔410km和660km间断面结构和转换带厚度.结果表明，研究区410km间断面形态较复杂，局部下沉到447km，而660km间断面相对简单，其深度分布在670km左右.海南岛东北部存在一个直径约200km的转换带异常薄的区域，其厚度较全球平均值薄25±5km，相当于转换带中存在约180℃的高温异常，转换带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，接收函数，上地幔410km和660km间断面，转换带厚度

1 引 言

海南及其邻区位于欧亚、印－澳、菲律宾海三大板块的交汇部位.自新生代以来，该区发生了10期59回次的火山喷发活动，形成了100余座火山，火山岩溶的分布面积达4000km2［1］.Maruyama［2］认为南海南部岩石圈下存在着地幔柱，Lebedev等［3］采用地震层析成像得到的S波速度结构显示海南火山下存在低速异常.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异常空间范围较大，且形态很不确定.中国大陆及邻区高分辨率层析成像模型揭示的海南火山区下低速异常的位置和形态与全球模型很不相同，从200 km到900km深度层上低速异常基本集中在海南附近，其范围要小［6］.Lei等［7］应用海南和雷州半岛的9个区域地震台站资料得到的区域层析成像模型显示海南火山下方低速异常从地表向下倾斜延伸至研究区底部大约300km深.已有的层析成像结果表明由于分辨率或研究深度的限制对海南地幔柱的存在范围和起源深度有较大的争议.

地幔转换带是界于上地幔410km间断面和660km间断面（下文简称‘410’和‘660’）之间的区域，这两个间断面的形态会受到温度的影响而产生变化，当高温的地幔柱通过410和660时会使其分别向下和向上移动，并导致地幔转换带变薄.因此，可以通过研究上地幔间断面形态和转换带厚度的变化探讨地幔柱的存在范围和起源.国际上一些学者采用接收函数方法分别研究了夏威夷、冰岛及南太平洋等地幔柱［8－13］.也有研究者应用接收函数方法得到海南岛琼中台（QIZ）下方上地幔间断面埋藏深度［14］和地幔转换带厚度［15］，结果表明该台站下方地幔转换带厚度减薄，但由于他们的研究只用到了一个地震台站的资料，其结果存在较大的不确定性，且无法反映该区地幔转换带厚度的横向变化，因而不能判定地幔柱可能存在的范围.本次研究利用海南及邻区88个宽频带地震台站记录的远震波形资料，采用接收函数方法得到了该区410和660的结构和地幔转换带厚度的横向变化，并根据这一结果探讨了海南地幔柱的存在范围及起源.

2 数据与方法

2.1 观测数据

本次研究应用了海南、广东和广西区域数字地震台网及国家台网共88个宽频带地震台站记录的远震波形资料（图1），从发生在2007年8月到2010年3月、震中距在30°～90°之间的、震级大于5.5级的529个远震事件中精心挑选出P波初动清晰、信噪比较高的75个远震事件进行了接收函数分析（图2）.

图1 研究中所用台站及转换点分布图小三角形为地震台站，大三角形为海南火山，黑点代表射线在410km间断面的转换点，两条相互垂直的线为图4中接收函数剖面的位置.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.

图2 研究中所用远震事件分布实心圆为远震事件，三角形显示了地震台网的中心位置.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 数据处理

远震P波接收函数是三分量远震记录的垂直分量与水平分量做反卷积后得到的时间序列，避免了天然地震震源及传播路径等因素的影响，主要与台站下方的结构有关.接收函数方法是利用远震P波在台站下方地震波速度间断面处的转换波（Ps）与直达P波的到时差来获取相应间断面的深度，它是研究地震台站下方地壳、上地幔速度间断面结构的有效方法［16］.

在资料处理中，截取P波初动前80s到初动后100s的地震波形，先将地震记录的两个水平分量进行旋转得到径向分量和切向分量，然后用垂向分量对径向分量做反卷积得到接收函数.应用频率域反卷积方法提取接收函数［17］，高斯系数取为3.1，共得到接收函数3595条.将接收函数直达P波振幅值与反卷积结果中前60s数据标准方差的比值作为信噪比，为了尽量提高结果的质量，同时保证数据量，根据以往经验我们剔除了信噪比小于25的接收函数.按照上述规则共挑选到径向接收函数1842条.图3以平果台（PGX）为例给出了信噪比大于25的全部接收函数.

为了加强转换波信号，采用共面元叠加的方法将挑选出的接收函数进行叠加.首先，将全部接收函数校正到参考震中距67°，以消除震中距不同对转换波到时的影响.每个方形面元的边长设为200km，水平方向上面元的移动步长为66km，垂直方向上面元的间距为10km.然后计算接收函数射线在不同深度上入射点的位置（图1），并把入射点位于同一面元的接收函数进行n次方根（n＝2）叠加［8，18］.叠加后的接收函数中直达P波在410的转换波（P410s）和在660的转换波（P660s）得到了加强.

图3 信噪比大于25的平果台（PGX）全部接收函数两条曲线分别代表由ISAP91模型计算得到的P410s和P660s参考到时.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.

应用ISAP91模型把叠加后的接收函数由时间域转换到了深度域.为了保障结果的可靠性，只有当位于400km和700km处面元中接收函数的个数都大于50时才拾取P410s和P660s的深度.最后，由660的深度减去410的深度计算得到地幔转换带的厚度.

3 结果及解释

3.1 410km和660km间断面的结构

经过上述数据处理过程，得到了研究区下方410和660的结构和转换带厚度.图4为接收函数叠加剖面，其中（c）、（d）为相应于时间剖面（a）、（b）叠后又经接收函数偏移的深度剖面（剖面位置见图1）.图中410和660的深度沿着正波峰最大值处拾取.时间域剖面中P660s与P410s之差1s的变化相当于转换带厚度约10km的变化.在深度剖面AA′中（图4c），410存在明显的起伏，其深度在剖面最西端107.7°E处为415km，沿着剖面向东在111.3°E处大幅下沉到447km，继续向东在114.6°E处上升到417km，在剖面的最东端117.2°E处又下降到432km.另外，410在深度变化的过渡区域还存在局部分层的现象，这可能是由于在同一叠加面元中同时存在对正常深度和下沉的410采样的接收函数所导致.而660却相对简单平缓，其深度分布在670km左右.在深度剖面BB′中（图4d），410的深度在17.8°N到22°N之间逐渐由422km下降至440km，在22.6°N上升到426km，之后基本平缓直至24.1°N.660则在17.8°N到22.6°N之间由679km逐渐抬升到671km，而在23.2°N到24.1°N之间为678km左右.总体看来，研究区下方410深度变化较大，并局部大幅下沉，而660则相对简单平缓.剖面BB′中，410和660在20.2°N至22.6°N之间存在反相关，即410下沉对应660上升，但410下沉的幅度大于660相对上升的幅度.为了更清楚地看到整个研究区两个间断面的深度变化情况，图5给出了410和660的深度分布.图中显示相对于全球410的平均深度，研究区内410普遍下沉，特别是在海南火山东北部呈现大幅下沉，最深达447km；660起伏相对较小，普遍存在着小幅下沉，660的小幅下沉可能与研究区上地幔存在低速异常有关.本文采用ISAP91速度模型进行时深转换，计算结果表明，410km之上的全部上地幔中2%的均匀速度异常可以引起410km和660km两个间断面视深度同向变化约10km，在中国大陆及邻区高分辨率层析成像模型中海南及其邻区上地幔地震波速度异常均小于2%［6］，因此，结果中两个间断面的深度受410km之上地幔速度结构的影响小于10km.

3.2 转换带厚度

图5 410km和660km间断面深度分布（a）410km间断面深度分布；（b）660km间断面深度分布；大三角形表示海南火山，小三角形表示琼中台位置.各图的下方分别给出了深度色标.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.

图4 接收函数叠加剖面图沿经度和纬度方向的接收函数叠加剖面图（剖面位置见图1）.（a）和（b）为时间域接收函数叠加剖面，黑色细线分别为P410s和P660s参考到时；（c）和（d）为深度域接收函数叠加剖面，黑色细线分别标出了410km和660km深度位置.红色和蓝色分别代表正的波峰和负的波峰.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.

图6 研究区地幔转换带厚度分布红色和蓝色分别代表与全球平均值相比，转换带偏薄和较厚的区域.图中给出了厚度色标.红色三角形表示海南火山，黑色三角形表示琼中台位置.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的深度和结构容易受到计算中所用的速度模型影响.由于P410s和P660s的传播路径在410km以上区域基本相同，因此P410s和P660s的到时差不受410km之上的速度模型影响，而只与地幔转换带厚度及其内部的地震波速分布有关.温度变化会同时影响转换带的厚度和速度，但其引起的地震波速度变化对到时差的影响与到时的拾取误差差不多，而其引起的转换带厚度变化对到时差的影响则大得多.因此由到时差确定的转换带厚度可以较好的判断转换带内部的温度变化［19］.图6给出了研究区地幔转换带厚度的分布，结果表明研究区内地幔转换带厚度存在明显的横向变化.研究区转换带厚度的平均值为244km.在海南岛的东北方存在一个直径约200km的转换带异常薄的区域，其厚度为225±5km，比全球地幔转换带厚度平均值小25±5km，而在其周围地幔转换带厚度接近全球平均值.本文得到的转换带异常薄的区域的位置与Lebedev层析成像模型中海南地区470～600km深度上低速异常的位置大致一致［3］，但本研究结果中转换带厚度异常薄的区域范围要小于Lebedev模型中低速异常的分布范围.

4 讨 论

4.1 转换带中的热异常

目前一般认为410为α相橄榄石到β相尖晶石的相变面，而660为γ相尖晶石到钙钛矿加方镁铁矿的相变面.岩石矿物学的实验结果表明，410km处相变面的克拉伯龙斜率为正值，而660km处相变的克拉伯龙斜率为负值［20］，因此，温度增加会使410下降和660抬升，导致转换带变薄.转换带厚度10km的变化对应于约70℃的温度变化，本次研究得到的转换带厚度减薄25±5km相当于转换带中存在约180℃的高温异常.我们认为海南岛东北方地幔转换带减薄暗示着高温的海南地幔柱存在于转换带中.

已有研究表明，一些主要的热点下方地幔转换带厚度也出现了明显的减薄，加拉帕格斯群岛下方地幔转换带减薄约25km［12］，其减薄值与本研究中转换带异常减薄的幅值大小相当.而冰岛［8］和夏威夷［10］热点下方地幔转换带分别减薄了20km和40km，分别对应转换带中存在约150℃和300℃的高温异常，海南岛东北方转换带中的热异常值介于冰岛和夏威夷下方转换带中热异常值之间.

4.2 海南地幔柱的起源

Courtillot把热点的起源深度分为三类［21］：（1）上地幔.此类热点的起源可能与软流层对流及岩石圈的构造、应力和断裂有关［22］.本研究得到的结果说明海南地幔柱的起源深度至少在410之下.（2）地幔转换带底部.超级地幔柱上涌到达转换带底部，进而促使小规模的地幔柱在转换带底部进一步上涌.（3）下地幔底部.核幔边界上方D″层小规模的不稳定对流可以使热柱上涌［23］.数值模拟和实验研究表明，如果热柱起源于地幔转换带底部的热边界层，则热边界层高温异常的水平范围需要远大于热柱的直径［24］，这样的高温异常会使转换带厚度在大范围内减小.本次研究得到海南岛东北方200km直径范围转换带厚度减薄而其周围转换带厚度基本正常的结果说明海南地幔柱不可能起源于转换带底部.因此，海南岛东北方转换带厚度局部减薄暗示海南地幔柱可能起源于下地幔.研究区下方410存在局部大幅度下沉，相应于410大幅下沉区660的相对抬升幅度较小，这一现象可能是转换带中存在低速异常和660对温度的敏感性相对较低造成的，这一结果与Niu等［9］对南太平洋超级地幔柱的研究结果类似.

同位素与岩石化学资料表明雷州半岛与海南岛北部幔源物质具有洋岛玄武岩（OIB）和大洋中脊玄武岩（MORB）的过渡特征，同时受到古俯冲带物质加入的影响［25］.海南地幔柱的形成可能与太平洋板块和菲律宾板块从东向西俯冲、印度板块从西向东俯冲有关［26］.板块俯冲到下地幔底部可导致热物质上涌穿过转换带，并最终到达地表，从而形成热点［27］.

5 结 论

本文利用海南、广东和广西区域地震台网和国家地震台网共88个宽频带地震台站记录的远震数据，采用接收函数方法得到了海南及其邻区410和660的结构与转换带厚度.结果表明研究区下方410存在局部大幅度下沉，最大下沉至447km，而660起伏较小.海南岛东北方存在直径约200km的地幔转换带厚度异常减薄区域，其厚度比全球平均值薄25±5km，相当于转换带中存在约180℃的高温异常.这一结果在近年层析成像和地球化学研究得到的南海及周边地区可能存在地幔柱的推论基础上，提供了新的地震学证据，并对海南地幔柱存在的空间范围有了较好的限定，本研究揭示的地幔转换带厚度局部减薄进一步暗示海南地幔柱起源于下地幔.

致 谢 美国罗得岛大学Yang Shen教授为本研究提供了接收函数提取和叠加程序，国家数字测震台网数据备份中心提供了部分远震波形数据［28］，三位审稿专家提出了宝贵的意见和建议，在此一并致谢！

（References）

［1］ 卢永健，魏琼珍.海南琼北火山监测与研究.防灾技术高等专科学校学报，2005，7（4）：33－37.Lu Y J，Wei Q Z.Volcano monitoring and research in Qiongbei，Hainan.Journal of College of Disaster Prevention Techniques（in Chinese），2005，7（4）：33－37.

［2］ Maruyama S.Plume tectonics.J.Geol.Soc.Japan，1994，100（1）：24－49.

［3］ Lebedev S，Nolet G.Upper mantle beneath Southeast Asia from S velocity tomography.J.Geophys.Res.，2003，108（B1）：2048.

［4］ Montelli R，Nolet G，Masters G，et al.Finite－frequency Tomography reveals a variety of plumes in the mantle.Science，2004，303（5656）：338－343.

［5］ Montelli R，Nolet G，Dahlen F A，et al.A catalogue of deep mantle plumes：New results from finite－frequency tomography.Geochem.Geophys.Geosyst.，2006，7：Q11007，doi：10.1029／2006GC001248.

［6］ Huang J L，Zhao D P.High－resolution mantle tomography of China and surrounding regions.J.Geophys.Res.，2006，111：B09305，doi：10.1029／2005JB004066.

［7］ Lei J S，Zhao D P，Steinberger B，et al.New seismic constraints on the upper mantle structure of the Hainan plume.Phys.Earth Planet.Int.，2008，173（1－2）：33－50，doi：10.1016／j.pepi.2008.10.013.

［8］ Shen Y，Solomon S C，Bjarnasonet I T，et al.Seismic evidence for a lower－mantle origin of the Iceland plume.Nature，1998，395（6697）：62－65.

［9］ Niu F L，Solomon S C，Silver P G，et al.Mantle transitionzone structure beneath the South Pacific Superswell and evidence for a mantle plume underlying the Society hotspot.Earth Planet.Sci.Lett.，2002，198（3－4）：371－380.

［10］ Li X Q，Kind R，Priestley K，et al.Mapping the Hawaiian plume conduit with converted seismic waves.Nature，2000，405（6789）：938－941.

［11］ Li X Q，Kind R，Yuna X H.Seismic study of upper mantle and transition zone beneath hotspots.Phys.Earth Planet.Int.，2003，136（1－2）：79－92.

［12］ Hooft E E E，Toomey D R，Solomon S C.Anomalously thin transition zone beneath the Galápagos hotspot.Earth Planet.Sci.Lett.，2003，216（1－2）：55－64.

［13］ Huerta A D，Nyblade A A，Reusch A M.Mantle transition zone structure beneath Kenya and Tanzania：more evidence for a deep－seated thermal upwelling in the mantle.Geophys.J.Int.，2009，177（3）：1249－1255.

［14］ 杨毅，周蕙兰.用接收函数方法研究中国及邻区上地幔间断面的埋藏深度.地球物理学报，2001，44（6）：783－792.Yang Y，Zhou H L.Application of receiver function method to estimate the buried depths of discontinuities in the upper mantle beneath China and adjacent area.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2001，44（6）：783－792.

［15］ Lebedev S，Chevrot S，van der Hilst R D.Seismic evidence for olivine phase changes at the 410－and 660－kilometer discontinuities.Science，2002，296（5571）：1300－1302.

［16］ Langston C A.Structure under Mount Rainier，Washington，inferred from teleseismic body waves.J.Geophys.Res.，1979，84（B9）：4749－4762.

［17］ Ammon C J.The isolation of receiver effects from teleseismic P waveforms.Bulletin of the Seismological Society of America，1991，81（6）：2504－2510.

［18］ Shen Y，Sheehan A F，Dueker K G，et al.Mantle discontinuity structure beneath the southern East Pacific Rise from P－to－S converted phases.Science，1998，280（5367）：1232－1235.

［19］ 徐强，赵俊猛.接收函数方法的研究综述.地球物理学进展，2008，23（6）：1709－1716.Xu Q，Zhao J M.A review of the receiver function method.Progress in Geophysics（in Chinese），2008，23（6）：1709－1716.

［20］ Bina C R，Helffrich G.Phase transition Clapeyron slopes and transition zone seismic discontinuity topography.J.Geophys.Res.，1994，99（B8）：15853－15860.

［21］ Courtillot V，Davaille A，Besse J，et al.Three distinct types of hotspots in the Earth′s mantle.Earth Planet.Sci.Lett.，2003，205（3－4）：295－308.

［22］ Anderson D L.The thermal state of the upper mantle：no role for mantle plumes.Geophys.Res.Lett.，2000，27（22）：3623－3626.

［23］ Olson P，Schubert G，Anderson C.Plume formation in the D″－layer and the roughness of the core－mantle boundary.Nature，1987，327（6121）：409－413.

［24］ Olson P，Schubert G，Anderson C，et al.Plume formation and lithosphere erosion：A comparison of laboratory and numerical experiments.J.Geophys.Res.，1988，93（B12）：15065－15084.

［25］ 朱炳泉，王慧芬.雷琼地区MORB－OIB过渡型地幔源火山作用的Nd－Sr－Pb同位素证据.地球化学，1989，（3）：193－201.Zhu B Q，Wang H F.Nd－Sr－Pb isotopic and chemical evidence for the volcanism with MORB－OIB source characteristics in the Leiqiong area，China.Geochimica（in Chinese），1989，（3）：193－201.

［26］ Zhao D P，Liu L.Deep structure and origin of active volcanoes in China.Geoseience Frontiers，2010，1（1）：31－44.

［27］ Tan E，Gurnis M，Han LJ.Slabs in the lower mantle and their modulation of plume formation.Geochem.Geophys.Geosyst.，2002，3（11），1067，doi：10.1029／2001GC000238.

［28］ 郑秀芬，欧阳飚，张东宁等."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，2009，52（5）：1412－1417.Zhen X F，Ouyang B，Zhang D N，et al.Technical system construction of Data Backup Centre for China Seismograph Network and the data support to researches on the Wenchuan earthquake.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2009，52（5）：1412－1417.

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

国家自然科学基金项目（40774040，91114205）资助.

王晨阳，男，1985年生，硕士，主要从事接收函数应用研究，现就职于中国国土资源航空物探遥感中心.E－mail：wcyseis＠139.com

＊通讯作者黄金莉，女，1962年生，研究员，主要从事地球内部结构研究.E－mail：hjl＠seis.ac.cn

王晨阳，黄金莉.应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构.地球物理学报，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.

（本文编辑 汪海英）