騰沖火山殼幔過渡帶分析及巖漿上涌通道初探

摘要：殼幔過渡帶是地殼與地幔物質(zhì)和能量的交換場所，其結(jié)構(gòu)特征與該區(qū)的深部過程和構(gòu)造演化密切相關(guān)。提取騰沖火山區(qū)31個地震臺站下方的接收函數(shù)H-κ疊加獲得的地殼厚度隨頻率變化特征和接收函數(shù)的Ps/P、PpPs/P振幅比，發(fā)現(xiàn)盈江斷裂北部的黑空山—燃燈寺和南側(cè)沙壩臺區(qū)域具有比周邊區(qū)域更低的振幅比，約有2 km地殼厚度差異。將該觀測結(jié)果與前人獲得的這兩個區(qū)域相對薄的地殼厚度與高的VP/VS比值相結(jié)合，表明黑空山—燃燈寺和沙壩臺區(qū)域具有厚的殼幔過渡帶，推測其是地幔物質(zhì)涌入地殼的通道。結(jié)合前人獲得的該區(qū)上、中、下地殼都存在大片低速體的特征，推測來自地幔的巖漿很可能沿著騰沖火山區(qū)黑空山—燃燈寺和沙壩臺這兩個區(qū)域上涌到地殼，并依次在下、中和上地殼富集和橫向展布，最終沿多個通道噴出地表。

關(guān)鍵詞：騰沖火山；接收函數(shù)；振幅比；地殼厚度；殼幔過渡帶；地幔上涌通道

中圖分類號：P317"" 文獻標(biāo)識碼：A"" 文章編號：1000-0666（2025）01-0041-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0005

0 引言

騰沖火山區(qū)位于云南省西部，地處印度板塊與歐亞板塊碰撞帶的東南緣。該區(qū)構(gòu)造活動頻繁，地震和火山活動較多，地質(zhì)現(xiàn)象復(fù)雜多樣，是地球科學(xué)研究的天然實驗室。火山區(qū)內(nèi)自新生代以來經(jīng)歷了多次火山噴發(fā)，自中新世晚期開始，火山活動逐漸增強，并在晚更新世達到頂峰（李霓，張柳毅，2011），最近一次噴發(fā)大約在公元1600年。盡管目前騰沖火山處于休眠狀態(tài)，但研究推測，火山內(nèi)部巖漿處于活動狀態(tài)，仍具有再度噴發(fā)的可能性（皇甫崗，1997）。因此，騰沖火山區(qū)的深部結(jié)構(gòu)研究對于了解中國西南區(qū)域構(gòu)造演化、火山活動機制以及地震災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。

目前騰沖火山區(qū)的地下結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)取得了一些進展。地球化學(xué)研究通過對騰沖火山巖石、礦物及同位素的分析，認為騰沖火山的巖漿源區(qū)主要來自上地幔，并且受到了地殼物質(zhì)的明顯混染（Tian et al，2018）。地?zé)嵫芯堪l(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)高地?zé)岙惓Ｃ黠@，推測與該區(qū)的深部熔融作用和淺部構(gòu)造活動密切相關(guān)（趙慈平等，2011）。斷裂構(gòu)造、地殼變形及應(yīng)力場研究發(fā)現(xiàn)，騰沖火山區(qū)處于印度板塊和歐亞板塊碰撞擠壓的復(fù)雜構(gòu)造背景，巖漿上升通道受控于斷裂系統(tǒng)（季靈運等，2011）。地震學(xué)研究發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)地殼具有低的P波和S波速度、高的VP/VS、橫向變化強烈的30～40 "km 地殼厚度，顯示了地殼與地幔的分界面和殼內(nèi)熔融區(qū)（胡家富等，2008；Shen et al，2022；馬永等，2023；Liu et al，2023；范心甜等，2024）。這些研究成果為我們提供了騰沖火山區(qū)深部結(jié)構(gòu)的重要信息，但關(guān)于該火山區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)特征以及巖漿運移規(guī)律仍有許多細節(jié)和深部機制有待進一步研究。

大陸巖石圈的下地殼-上地幔邊界是物質(zhì)和能量交換的重要區(qū)域。深入理解地殼-地幔過渡帶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對于分析火山地區(qū)巖漿的上涌通道和運移特征至關(guān)重要。現(xiàn)有研究成果為我們理解騰沖火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巖漿活動提供了寶貴的參考，但尚缺乏對該區(qū)域殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析。地震學(xué)中常用的接收函數(shù)記錄了地震波在穿過地殼和地幔時的轉(zhuǎn)換和反射過程，為探索地殼和地幔結(jié)構(gòu)提供了重要信息。研究表明，Moho面的Ps轉(zhuǎn)換波和PpPs多次反射波與直達P波的振幅比，以及由接收函數(shù)H-κ疊加方法得到的地殼厚度隨頻率變化的特征，能有效約束殼幔過渡帶的特性，如其是否尖銳或漸變等。鑒于此，本文基于騰沖火山區(qū)密集的地震臺站遠震接收函數(shù)，分析殼幔過渡帶的Ps/P和PpPs/P振幅比，以及地殼厚度隨頻率的變化關(guān)系，并結(jié)合該地區(qū)的地殼厚度、VP/VS和S波速度特征，共同約束該地區(qū)殼幔過渡帶的結(jié)構(gòu)特性，進一步探索火山區(qū)下方巖漿運移及相關(guān)上涌通道的信息。

1 理論分析與數(shù)據(jù)來源

1.1 殼幔過渡帶類型對接收函數(shù)振幅以及H-κ疊加結(jié)果影響

殼幔過渡帶是殼幔物質(zhì)及能量交換的重要動力學(xué)界面，對地殼和地幔的形成、演化以及深層動力過程起著關(guān)鍵作用。Davydova等（1972）和滕吉文（2006）研究顯示，殼幔過渡帶通常可分為3種類型：一級間斷面型（尖銳型）、速度梯度連續(xù)或不連續(xù)的帶型（漸變型）以及高、低速交替的薄層束型（倒轉(zhuǎn)型）。接收函數(shù)H-κ疊加方法（Zhu，Kanamori，2000）利用來自Moho面的Ps、PpPs以及PsPs/PpPs震相與直達P波到時差，能同時獲取地殼厚度與平均VP/VS比值。復(fù)雜的殼幔過渡帶會影響Moho面震相的接收函數(shù)到時和波形信息，從而使接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果偏離實際值（Mansour et al，2018；Wei et al，2020）。Ps/P振幅比可反映地震波在Moho面上由P波轉(zhuǎn)換成S波的效率及界面性質(zhì)，PpPs/P振幅比反映了P波在Moho面反射后再轉(zhuǎn)換成S波的效率。較高的比值往往意味著Moho面較為尖銳，存在明顯的速度對比，反射和轉(zhuǎn)換效率高；較低的比值則可能指示Moho面不明顯或具有漸變性質(zhì)。

本文通過理論正演計算和分析了不同頻率下不同性質(zhì)的殼幔過渡帶對接收函數(shù)振幅及H-κ疊加結(jié)果的影響（圖1）。參考前人在騰沖火山區(qū)得到的平均H-κ結(jié)果（范心甜等，2025），分別設(shè)置了地殼厚度為38 km，波速比為1.78的尖銳型殼幔結(jié)構(gòu)模型，以及從30 km開始的厚度為8 km殼幔過渡帶的漸變型和倒轉(zhuǎn)型殼幔結(jié)構(gòu)模型（圖1a），并利用反射率法（Levin，Park，1997）計算了高斯系數(shù)為1.0（大致對應(yīng)0.48 Hz）和3.0（大致對應(yīng)1.44 Hz）的理論徑向接收函數(shù)（圖1b、c）。

圖1b，c中接收函數(shù)波形顯示，兩種頻率下，尖銳型殼幔過渡帶得到的接收函數(shù)Ps和多次反射波PpPs震相都十分明顯，且對應(yīng)震相的到時一樣；相較之下，漸變型殼幔過渡帶的接收函數(shù)Ps及PpPs震相更為平緩，PpPs多次波能量明顯較低且波列寬度更寬；倒轉(zhuǎn)型過渡帶的接收函數(shù)的震相則更為復(fù)雜，殼幔過渡帶內(nèi)有不同間斷面的多個震相，尤其是當(dāng)G=3.0時，Ps轉(zhuǎn)換波能量更低，PpPs震相已經(jīng)變得不易識別。值得注意的是，當(dāng)G=3.0時，漸變型過渡帶PpPs振幅要比另外兩種類型低許多，這主要是由過渡帶相鄰層速度差異只有其他類型的約1/10，使其P-S轉(zhuǎn)換系數(shù)明顯偏低。

筆者進一步計算了接收函數(shù)Moho面Ps轉(zhuǎn)換震相與直達P波振幅比值（Ps/P振幅比）以及PpPs多次波震相與直達P波振幅比值（PpPs/P振幅比）（表1）。結(jié)果表明，在不同頻率下尖銳型殼幔過渡帶接收函數(shù)的Ps/P、PpPs/P振幅比均差別不大，且都比其他兩種殼幔過渡帶高。當(dāng)G=1.0時，3種類型的殼幔過渡帶對應(yīng)的接收函數(shù)的Ps/P振幅比差別不大，而漸變型和倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶過渡帶對應(yīng)接收函數(shù)的PpPs/P振幅比明顯低于尖銳型；當(dāng)G=3.0時，漸變型和倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶的接收函數(shù)Ps/P振幅比明顯低于尖銳型殼幔過渡帶，而此時漸變型殼幔過渡帶所對應(yīng)接收函數(shù)的PpPs/P振幅比明顯低于其他兩種殼幔過渡帶。

通過對不同類型殼幔過渡帶在不同頻率下的理論接收函數(shù)進行H-κ疊加（表1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：尖銳型殼幔過渡帶接收函數(shù)得到的地殼厚度和VP/VS與給定的真實地殼厚度（厚度為38 km，波速比為1.78）一樣，且不受頻率變化的影響；漸變型和倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶接收函數(shù)的VP/VS和真實地殼VP/VS差別不大，但地殼厚度差異明顯，且低于給定的真實地殼厚度。其中，漸變型殼幔過渡帶經(jīng)H-κ疊加獲得的地殼厚度隨頻率升高逐漸接近過渡帶底部；而倒轉(zhuǎn)型過渡帶得到的地殼厚度隨頻率的升高逐漸接近過渡帶頂部。

1.2 騰沖火山接收函數(shù)Ps/P及PpPs/振幅比及地殼厚度隨頻率的變化

本文選用布設(shè)于騰沖火山區(qū)的31個固定和流動地震臺的遠震三分量數(shù)據(jù)，包括騰沖火山地震臺網(wǎng)布設(shè)的11個寬頻帶臺站記錄到的2017—2020年的數(shù)據(jù)、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院于2018—2020年先后布設(shè)的12個流動地震臺記錄到的數(shù)據(jù)以及中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所布設(shè)的8個寬頻帶地震臺記錄到的2018—2019年的數(shù)據(jù)（圖2）。基于上述數(shù)據(jù)，截取震級大于5.5級，震中距在30°～90°的地震事件（圖3a），采用時間域迭代反褶積方法在直達P波之前20 s和之后100 s內(nèi)提取了不同頻率的接收函數(shù)。在人工刪除Moho面主要震相不清晰等低質(zhì)量的波形之后，對保留的4 978條接收函數(shù)進行振幅歸一化，然后再分單臺各自疊加成一條接收函數(shù)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。圖3b展示了不同高斯系數(shù)下，單臺所有接收函數(shù)疊加后的波形。

針對單臺疊加后接收函數(shù)波形，參考范心甜等（2025）采用多頻接收函數(shù)H-κ疊加方法獲得的地殼厚度與VP/VS結(jié)果，確定轉(zhuǎn)換波Ps以及PpPs多次波的大致走時范圍，然后再分別選取走時范圍內(nèi)對應(yīng)的最大振幅值。由于此前已對接收函數(shù)進行了振幅歸一化，故將此時提取的最大振幅值分別直接作為接收函數(shù)Moho面Ps轉(zhuǎn)換震相與直達P波振幅比值（Ps/P振幅比）以及PpPs多次波震相與直達P波振幅比值（PpPs/P振幅比）。本文進一步計算了3個高斯系數(shù)（G=1、2、3）條件下獲取的地殼厚度之間的最大差值，用于表征地殼厚度隨頻率的變化。

2 結(jié)果與討論

由圖1和表1可見，不同殼幔過渡帶接收函數(shù)波形、Ps/P和PpPs/P振幅比以及不同頻率H-κ疊加得到的地殼厚度變化特征存在差異。尖銳型殼幔過渡帶H-κ疊加得到的地殼厚度不依賴于頻率，而漸變型和倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶的存在會導(dǎo)致H-κ搜索得出偏低的地殼厚度，且隨頻率變化較大。尖銳型殼幔過渡帶得到的Ps/P和PpPs/P振幅相較其他兩種類型殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)的比值要大。當(dāng)有巖漿從地幔經(jīng)過Moho面進入地殼時，不僅可能會導(dǎo)致地殼厚度和VP/VS比值發(fā)生變化（Ji et al，2009），還會導(dǎo)致原本可能的尖銳殼幔過渡帶轉(zhuǎn)變?yōu)楹竦臍め＿^渡帶。因此，聯(lián)合分析地殼厚度、VP/VS比值、多頻率H-κ疊加得到的地殼厚度特征、Ps/P和PpPs/P振幅比能用來約束騰沖火山區(qū)殼幔過渡帶的結(jié)構(gòu)特征。

趙慈平等（2011）和李雪壘等（2017）分別基于地?zé)岷蚐波速度研究提出盈江斷裂北部的黑空山—燃燈寺（RDS）周邊區(qū)域可能是地幔物質(zhì)上涌通道。近年來越來越多學(xué)者發(fā)現(xiàn)該區(qū)域殼內(nèi)存在明顯比周邊偏低的P波和S波速度（Li et al，2018；華雨淋，呂彥，2019；Peng et al，2021；Shen et al，2022）。范心甜等（2025）基于更加密集的地震觀測資料獲得的地殼厚度、VP/VS以及S波速度也支持前人的推測（圖4a）。本文進一步提取了該區(qū)31個臺站不同頻率H-κ疊加得到的地殼厚度差異（圖4b），發(fā)現(xiàn)在黑空山區(qū)域（橢圓）大致表現(xiàn)出地殼厚度隨頻率變化相對較大的特點，最大地殼厚度差異超過2 km。筆者還發(fā)現(xiàn)該區(qū)域接收函數(shù)Ps/P以及PpPs/P振幅比整體偏低（圖4c、d），尤其是相較于南側(cè)的打鷹山和老龜山區(qū)域。本文獲得的地殼厚度隨頻率變化大的特點以及與周邊相比P/PS及PPPS/P振幅比，為前人推測的黑空山—燃燈寺（RDS）區(qū)域可能是地幔物質(zhì)上涌通道提供了新的證據(jù)。

從圖4b～d可看出，在盈江斷裂南側(cè)沙壩臺（SBT）附近也存在一個地殼厚度差異較大以及Ps/P振幅比相對偏低的區(qū)域，該區(qū)地殼厚度隨頻率變化的差異達到2.7 km，PS/P振幅比大致是周邊區(qū)域的一半。這種特征與前人研究的該區(qū)與部分熔融相關(guān)的地殼VP/VS以及可能已經(jīng)改造減薄的地殼厚度一致（圖4a）。值得注意的是，該區(qū)臺站TCT和s11的PpPs/P振幅比較高。在接收函數(shù)中，PpPs震相橫向采樣范圍是Ps震相的3倍以上，因此Ps/P振幅比對殼幔過渡帶具有更高的約束力，推測這兩個臺站PpPs/P振幅比較高可能反映了沙壩區(qū)周邊下方的結(jié)構(gòu)信息。將本文觀測結(jié)果，結(jié)合雙差地震層析成像獲得的該區(qū)中下地殼偏低的P波速度（馬永等，2023）、接收函數(shù)和面波聯(lián)合反演獲得的偏低的S波速度（范心甜等，2025）以及相對較高的地溫梯度（趙慈平等，2011），可以支持沙壩臺附近區(qū)域地殼過渡帶也具有相對厚的特征，并且認為其可能也是一個巖漿上涌通道區(qū)。

范心甜等（2025）通過反演騰沖火山區(qū)S波速度結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)地殼內(nèi)10 km、約20 km、約30 km和約50 km深度附近存在大尺度的低速異常特征，部分不同深度的低速體相互聯(lián)通。基于這一結(jié)果和本文H-κ疊加獲得的地殼厚度隨頻率變化特征和Ps/P以及PpPs/P振幅比分布，筆者認為來自地幔的巖漿通過盈江斷裂北部的黑空山—燃燈寺（RDS）區(qū)域以及南側(cè)沙壩臺（SBT）區(qū)域上涌到地殼底部，然后橫向展布并經(jīng)過富集后沿不同通道上升到中地殼并持續(xù)富集以及橫向展布，接著進一步上涌到上地殼并持續(xù)富集和展布，部分巖漿在早、晚更新世和全新世沿著多個通道噴出騰沖火山區(qū)地表（圖5）。

3 結(jié)論

本文提取了騰沖火山區(qū)31個固定和流動地震臺的遠震接收函數(shù)，計算了單臺接收函數(shù)Ps/P和PpPs/P振幅比以及H-κ疊加方法獲得的地殼厚度隨頻率變化特征，結(jié)合前人獲得的該區(qū)地殼厚度、VP/VS比值以及S波和P波速度分布，研究了火山區(qū)殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)，所得結(jié)論如下：

（1）騰沖火山區(qū)盈江斷裂北部的黑空山—燃燈寺和南側(cè)沙壩臺區(qū)域具有低的接收函數(shù)Ps/P和PpPs/P振幅比和大的地殼厚度隨頻率變化的差異。

（2）黑空山—燃燈寺和沙壩臺區(qū)域的殼幔過渡帶比周邊區(qū)域相對較厚，推測該區(qū)可能是地幔物質(zhì)涌入地殼的上涌通道。

（3）地幔巖漿沿著黑空山—燃燈寺和沙壩臺區(qū)域上涌到地殼，并依次在下、中和上地殼展布和富集，最終沿多個通道噴出騰沖火山區(qū)地表。

感謝中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，云南省地震局和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所提供數(shù)據(jù)。

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FAN Xintian1，2，WEI Zigen1，XIE Jun1，CHENG Zhiwei3，LING Yuan4，LI Xuelei5，LIU Yiwei1，2

（1.State Key Laboratory of Geodesy and Earth s Dynamics，Innovation Academy for Precision Measurement Scienceand Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430077，Hubei，China）

（2.College of Earth and Planetary Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

（3.School of Earth Sciences and Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，Hebei，China）

（4.Key Laboratory of Earth and Planetary Physics，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）

（5.School of Microelectronics and Physics，Hunan University of Technologyand Business，Changsha 410205，Hunan，China）

Abstract

The Crust-Mantle transition zone serves as a critical interface for the exchange of material and energy between the Earth s Crust and Mantle，closely tied to deep processes and tectonic evolution in the region.This study extracts characteristics of crustal thickness variation with frequency from receiver functions H-κ stacking beneath 31 seismic stations in the Tengchong volcanic area，as well as the Ps/P and PpPs/P amplitude ratios of the receiver functions.It reveals that the Heikongshan-Randengsi area to the north of the Yingjiang fault and the Shabatai area to the south exhibit lower amplitude ratios and a crustal thickness difference of approximately 2 km compared to surrounding regions.Combining these observations with previous findings of relatively thin Crust and high VP/VS ratios in these two areas suggests a thick Crust-Mantle transition zone，hypothesized as conduits for Mantle material into the Crust.Building on previous findings of extensive low-velocity features in the upper，middle，and lower Crust of the region，this paper postulates that magma from the Mantle likely ascends through the Crust along the Tengchong volcanic area，specifically through the regions of Heikongshan-Randengsi and Shabatai.Subsequently，it enriches and laterally spreads within the lower，middle，and upper Crust，eventually erupting onto the surface through multiple channels.

Keywords：Tengchong volcano area；amplitude ratios of receiver functions；crustal thickness；Crust-Mantle transition zone；Mantle upwelling conduits