长白山火山是我国规模最大、最具喷发危险性的活火山，其顶部直径5-7 km的破火山口（长白山天池）由公元946年左右发生的长白山千年大喷发（Millennium Eruption）形成，此次喷发被认为是全球两千年来最大的喷发事件之一，喷发物体积超过200 km3，火山灰最远飘落到日本。千年大喷发的发生。火山深部岩浆起源机制与浅部地壳岩浆位置、规模等科学问题还缺乏深入认识，给长白山火山喷发预测和预警带来巨大挑战。
火山深部岩浆房起源和岩浆囊位置、规模是研究火山形成、演化和喷发预警的重要基础。为了更好的解决以上科学问题，吉林大学地球探测科学与技术学院田有教授、刘财教授、赵鹏飞副教授与日本东北大学赵大鹏教授合作，在国家自然科学基金、吉林省自然科学基金和吉林大学学科交叉融合创新项目的共同资助下，针对长白山深部岩浆起源和浅部岩浆囊位置开展了系统研究。
通过区域地震走时地震波速度和各向异性层析成像、背景噪声与接收函数联合反演等方法，研究发现长白山火山下方显著的低速异常由地表一直延伸到410 km间断面附近，而在地幔转换带内表现为显著的高速异常；接收函数研究表明长白山下方的410 km间断面显著下凹，与低速异常的底部对应，得出了长白山火山深部地幔的部分熔融热物质来源于410 km间断面附近的结论；同时660km间断面也表现为下凹，表明冷的太平洋俯冲板块在地幔转换带内滞留（图1）。综合接收函数和层析成像（速度、各向异性）的研究结果，我们给出了长白山地区地幔转换带结构和东北亚地区上地幔结构模式图（图2）。由于俯冲板块产生地幔流的作用，俯冲板块释放的水被运移到410 km间断面附近，并且导致该深度物质产生降压熔融，大量的热物质聚集在410 km间断面附近，所以导致410 km间断面的大范围下陷。即长白山火山的形成与太平洋板块（或古板块）深俯冲导致的热物质在大地幔楔内的上涌密切相关。
联合利用接收函数和背景噪声瑞雷波群速度频散曲线数据，采用变维贝叶斯反演方法获得长白山地区0-60km深度范围的S波速度结构（图3）。结果显示长白山地区的地壳速度结构存在强烈的非均匀性，在中地壳8-15km深度范围出现一个低速异常，该异常在南北方向上延伸约100km；在天池火山口下方，Moho面较周边区域深5-10km，推测为中地壳岩浆房，并且在地壳与上地幔交界处有明显的低速异常，这可能表明幔源岩浆上涌，并依附在原始的地壳上，即底侵作用，形成新的地壳下界面，因此使Moho面深度增加。研究结果支持长白山火山的热物质形成与地幔转换带内的西太平洋俯冲板块有关的观点。俯冲板块上方地幔楔内的热物质，在地幔流的作用下，上涌进入地壳形成长白山火山。
图1.长白山火山下方P波速度结构剖面图，剖面中红线表示接收函数获得的410和660 km间断面分布. 黑色与红色三角表示长白山火山
图2. 东北亚地区上地幔结构与地球动力学模式图，重点关注长白山火山演化与该区上地幔和地幔转换带结构的关系
图 3. 长白山火山地壳、上地幔顶部S波速度结构图。主要表征地壳不均匀性和地幔热物质上涌之间的关系。虚线代表利用接收函数叠加获取的莫霍面深度，红色箭头代表火山下方热物质上涌的方向
上述研究成果发表在国际地学期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》和《Geochemistry, Geophysics, Geosysterms》上。
1. Hongxiang Zhu（朱洪翔）,You Tian*（田有）, Dapeng Zhao（赵大鹏）, Honghao Li（李红昊）, Cai Liu（刘财）, 2019. Seismic structure of the Changbai intraplate volcano from joint inversion of ambient noise and receiver functions. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 124: https://doi.org/10.1029/2018JB016600.
2. Jincheng Ma（马锦程）, You Tian*（田有）, Dapeng Zhao（赵大鹏）, Cai Liu（刘财）, Tingting Liu（刘婷婷）, 2019. Mantle dynamics of Western Pacific and East Asia: New insights from P-wave anisotropic tomography. Geochemistry, Geophysics, Geosysterms. 20, 3628-3658. doi: 10.1029/2019GC008373.
3. Tian You*（田有）, Hongxiang Zhu（朱洪翔）, Dapeng Zhao（赵大鹏）, Cai Liu（刘财）, Xuan Feng（冯晅）, Ting Liu（刘廷）, Jincheng Ma（马锦程）, 2016. Mantle transition zone structure beneath the Changbai volcano: Insight into deep slab dehydration and hot upwelling near the 410-km discontinuity. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 121, 5794–5808,doi:10.1002/2016JB012959.
