中国东北地区松辽盆地北缘及其东西两翼发育众多的第四纪板内火山，包括长白山火山、龙岗火山、镜泊湖火山、阿巴嘎火山、哈拉哈火山、五大连池火山、诺敏河火山等（图1A）。这些年轻板内火山的形成机制及其深部动力学过程是涉及西太平洋地球系统多圈层相互作用的核心科学问题，也是推进解决与板块深俯冲相关重大地球科学问题的关键。前人的大尺度地震层析成像、火山岩石地球化学以及地球动力学模拟等研究揭示东北地区板内火山的形成与西太平洋板块向欧亚大陆俯冲并滞留于地幔转换带的过程密切相关。然而，已有研究难以解释东北地区第四纪玄武岩为何会在地球化学属性上表现出显著的空间差异性（图1A）——位于松辽盆地北缘的五大连池和诺敏河等局部区域出露典型的高钾玄武岩，与东北地区其它普通钠质火山岩相比在元素地球化学性质上呈现出多方面的异常特征。针对这些高钾玄武岩的成因，已有的岩石学和地球化学研究结果仍存在很大争议，不同研究分别提出了岩石圈地幔、软流圈地幔和地幔转换带等多种岩浆起源模式。
图1（A）中国东北地区构造简图。绿色和品红色区域分别代表第四纪普通钠质和高钾玄武岩的地表分布。CBS—长白山火山；LG—龙岗火山；JPH—镜泊湖火山；WDLC—五大连池火山；NMH—诺敏河火山；HLH—哈拉哈火山；ABG—阿巴嘎火山。黑色虚线分别表示南北重力梯度带和郯庐断裂带。紫色实线代表绘制图2中5条纵剖面（aa’、bb’、cc’、dd’和ee’）的地表位置；（B）本研究所用的地震台站分布
中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室2019届博士生范兴利（现成都理工大学教授）与陈棋福研究员、艾印双研究员和陈凌研究员等人，通过汇集东北地区近年来布设的多个密集流动地震台阵和区域固定台网的地震波形数据，采用背景噪声和双平面波成像方法建立了研究区域高精度的壳幔三维剪切波速度模型（图2）。成像结果显示长白山火山、龙岗火山、镜泊湖火山、阿巴嘎火山和哈拉哈火山区下方上地幔顶部呈现显著低波速异常，表明上涌的软流圈可能已经到达（或接近）莫霍面的位置；而五大连池和诺敏河火山下方上地幔顶部则整体表现为相对高速，可能指示该区存在岩石圈地幔。结合前人火山岩石地球化学的研究结果，推测东北地区包括长白山火山在内的钠质玄武岩主要来自于上涌的软流圈地幔，而五大连池和诺敏河火山的高钾玄武岩则是软流圈低程度熔体与上覆岩石圈地幔相互作用的产物（图3）。这一研究结果揭示，东北地区岩石圈结构的横向差异控制了第四纪板内玄武质火山的起源及其地球化学属性。
图2 横跨火山区的5条纵剖面剪切波绝对速度模型。aa’、bb’、cc’、dd’和ee’的地表位置见图1中紫色实线
中国东北地区在古生代至晚中生代时期由多个微陆块相继拼贴而成，其内部岩石圈属性例如强度和流变性等可能存在明显的横向差异。推测这种差异使晚中生代以来西太平洋板块持续俯冲诱发的软流圈-岩石圈地幔相互作用在强度和尺度上也出现显著的空间差异性，最终造成东北地区现今观测的岩石圈结构的强烈横向不均一性和岩浆性质的迥异特征。以上是针对中国东北地区岩石圈结构产生显著横向差异原因的一种可能解释，未来还需要联合多学科观测结果和三维地球动力学模拟研究来加以验证。
图3 刻画长白山火山和五大连池火山不同成因机制的卡通图
研究成果发表于国际权威学术期刊Geology（范兴利，陈棋福*，艾印双*，陈凌，姜明明，吴庆举，郭震. Quaternary sodic and potassic intraplate volcanism in northeast China controlled by the underlying heterogeneous lithospheric structures[J]. Geology, 2021, 49. DOI: 10.1130/G48932.1）。该成果受到国家自然科学基金项目（91958209，42004033，41474040，41688103，41774058）和广东省基础与应用基础研究基金（2019A1515110307）的联合资助。