以中国东北为主体的东北亚大陆是由多个微陆块俯冲、碰撞而成的拼贴体，自中生代以来深受(古)太平洋和蒙古-鄂霍次克两大构造体系的叠加作用和改造。已有大量的地震成像结果显示，太平洋板块在东北亚下方地幔过渡带中发生了大规模滞留，从而形成全球独有的、东亚"大地幔楔"（Big Mantle Wedge）系统。因此，我国东北地区是研究"大地幔楔"系统内部过程及其对上覆板块改造效应的理想地区。地震各向异性描述了地震波速度对方向的依赖性，记录了地下介质曾经或现在的动力学信息，是窥测地球深部构造变形及物质循环的探针，对地球深部动力学过程具有重要的指示意义。
中国科学院地质与地球物理所地球与行星物理院重点实验室杨凡博士、郭广瑞博士与导师李娟研究员及合作者陈棋福研究员、陈赟副研究员等基于NECSaids密集流动台阵（图1）记录的高质量地震波形数据，利用SIMW (Simultaneous Inversion of Multiple Waveforms) 方法对SKS震相分析处理，获得了跨东北亚大陆（吉林珲春-内蒙二连浩特剖面，全长约2000 km）稳定、可靠的剪切波分裂结果。结合已有的S波接收函数、区域层析成像速度模型等，系统探讨了该区域各向异性的空间变化和主要来源深度，给出了跨东北亚大陆地幔动力学的一阶特征。
图1中国东北地区地质构造背景及XKS剪切波分裂结果
剪切波分裂结果分析显示，各向异性的总体特征以南北重力梯度带（NSGL，东亚大陆岩石圈的一级特征）为界表现出明显的分区性。在NSGL以西，快轴方向以ENE为主，较东部地区延迟时间偏小，但在阿巴嘎火山周围存在复杂的分裂参数。在NSGL以东，快轴方向以NNW为主，大致平行于板块绝对运动方向（APM）的平均值，但在松辽盆地下方的分裂参数比较分散，在长白山地区有较多无分裂结果的台站，这表明该区域产生地震各向异性的机制不唯一，存在区域性的地幔流。更加有趣的是，在NSGL附近200 km的范围内，快轴方向存在由NNW向NNE系统性的顺时针旋转，这可能与该区域岩石圈厚度发生60-80 km的剧烈变化相对应（图2b）。
图2 （a）利用SIMW方法获得的剪切波分裂结果；（b）沿着台阵所在测线（~43.5°N）的S波速度异常图；（c）以南北重力梯度带(118.5°E)为界东西两侧的快轴方向和延迟时间的统计直方图
研究结果表明，南北重力梯度带西侧岩石圈总体较稳定，变形程度弱或有限，而东侧受西太平洋俯冲板块诱发的岩石圈拆沉等作用形成了复杂的区域性地幔流。岩石圈厚度的阶跃性变化（keel）导致了局部区域地幔流动的转向或旋转，该现象在美国东部（West et al., 2009; Yang et al., 2017）和鄂尔多斯东北部（Li et al., 2020）也有体现，这种Keel-Deflected 的地幔流动模式首次在中国东北地区被明确提出（图3）。对于约束局部地区（如长白山火山、阿巴嘎火山）下方地幔流动模式的细节特征还需要联合多方法的地球物理学资料、地球化学的观测结果和三维地球动力学模拟等加以验证。
图3 (a) 研究区域内SKS剪切波分裂测量结果；(b) 东北亚大陆下方Keel-Deflected地幔流动模式示意图
研究成果发表于国际学术期刊GRL（杨凡，郭广瑞，李娟*，陈棋福，陈赟，陈思丹. 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。该成果受到国家自然科学基金项目（42074063、41774065、41774058）、中国科学院战略先导专项计划(B)项目(XDB18000000)和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201904）的资助。