近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院张海江教授团队联合英国布里斯托大学Robert Myhill博士，利用远震双差层析成像技术，揭示了太平洋俯冲板块在中国东北下方地幔过渡带的形态变化及其对长白山火山活动和深源地震的控制作用。相关研究成果以“Local slab penetration into lower mantle controls deep-focus seismicity and Changbaishan volcanism in northeast China”为题，于2025年3月21日发表于国际知名期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。

新生代火山在中国东北地区广泛分布，其中长白山火山是规模最大的一个。它因公元946年至947年间发生的千年大喷发而闻名，这是全球有记录以来规模最大的火山喷发事件之一。长白山火山距离日本海沟约1500公里，是一个典型的板内火山（图 1）。目前，关于长白山火山的形成机制仍存在争议。“大地幔楔”机制认为停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块会发生脱水反应产生流体进入地幔楔产生部分熔融。然而，这种机制难以解释为何新生代晚期（<1.5Ma）的火山活动并未沿俯冲带走向广泛分布，而是集中于特定区域。“板片空窗”机制则提出俯冲板片下方的热物质通过板片存在的一个缺口上涌，为长白山火山提供深部岩浆来源。然而位于地幔过渡带的俯冲板块是如何形成一个缺口的，仍然是一个未解之谜。除了广泛的板内火山和岩浆活动外，中国东北地区的另一个显著地质特征是在长白山火山以东约300千米存在深源地震簇（深度范围为400至650千米）（图 1）。通常认为，深源地震的形成机制包括脱水致脆、相变断层以及绝热剪切失稳等。这些机制主要受温度条件的控制，而东北亚地区俯冲带的热化学结构沿走向基本保持不变。因此，控制深源地震集中出现在这一特定区域的机制尚不清楚。

图1 中国东北及周边地区的构造背景与地震活动特征。图中显示了地震分布（圆点颜色表示不同深度）、火山活动分布（红色三角形）、俯冲带几何形状（黑色虚线轮廓，基于Slab2.0 模型）、主要块体边界（黑色实线）和剖面线（A-F：蓝色实线）。

研究团队利用全球地震台站接收到的东北亚地区地震到时数据，利用多尺度双差层析成像构建了上千公里深的高分辨率三维速度模型。结果显示，在长白山火山下方存在俯冲板片局部插入下地幔的现象，而其北侧和南侧则停滞于地幔过渡带。俯冲板片下插的区域和接收函数成像得到的地幔过渡带660公里不连续界面局部凹陷区一致。俯冲板片从北到南在地幔过渡带内呈现的平躺-下插-平躺的形态变化为板片下方的热物质上涌提供了空间，从而为长白山火山活动提供了深部地幔来源（图2）。

此外，深源地震簇集中分布在太平洋板块穿过660界面的弯曲部位，这表明板片局部下插时产生的局部强变形是导致深源地震发生的关键机制。这一发现为深源地震产生的物理机制提供了新视角，并支持板片变形控制地震活动的理论模型，因此和浅源地震一样，深源地震发生的本质也是介质变形的释放。综上所述，这项研究首次将长白山火山活动与深源地震统一归因于太平洋板块局部穿过660公里界面引起的深部动力学过程，二者的发生从根本上受到俯冲板块形态变化的控制。

图2 东北亚地区俯冲的太平洋板块几何形态、深源地震簇（红点）以及晚新生代火山分布。

论文第一作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院博士生、现中国地质科学院助理研究员高磊，通讯作者为中国科学技术大学张海江教授，合作者包括英国布里斯托大学Robert Myhill博士，中国科学技术大学高级副研究员和冷伟教授。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58053-5

（地球和空间科学学院、科研部）