地幔柱-岩石圈的相互作用以及被动大陆伸展作用是调控陆内火山活动与岩石圈演化的关键机制，二者协同作用对岩石圈改造和火山活动的影响仍需深入探讨。雷琼火山区位于华南陆块南部被动伸展陆缘，作为晚新生代火山活动强烈的热点，分布有数百火山锥和喷发口。地球物理成像显示雷琼火山区下方低速异常可自地幔深部延伸至地幔浅部，但现有研究受观测系统局限，难以精细刻画岩石圈厚度、地壳熔融和岩浆系统，导致对地幔柱-岩石圈相互作用以及区域伸展特征的认识存有争议。例如，此前报道深地震测深显示雷州半岛南部和海南岛北部存在地壳减薄，而接收函数分析结果显示为轻微增厚；上地幔的低速异常和壳内低电阻率层暗示存在熔融区域，但缺乏横向分辨。
针对这些问题，中国科学院广州地球化学研究所的博士后张周与其合作导师邓阳凡研究员、徐义刚研究员及李鑫副研究员，联合中国科学院南海海洋研究所张锦昌研究员，利用课题组新近布设的GIG-LZ宽频带地震台阵，结合中国地震局在海南岛上的部分固定台站(图1)，通过基于P波和S波接收函数的多种分析方法，揭示了雷琼火山区具有薄的、高Vp/Vs比值和高熔体分数的地壳属性，全区岩石圈厚度自内陆向海南岛具有逐渐减薄的特征。文章主要结论如下：
(1) P波接收函数波形叠加结果显示雷琼火山区地壳厚度约24.5 公里，较华南陆块内部和海南岛北部(~28 公里)略薄。Vp/Vs比值达到1.85，高于区域平均值1.76和全球元古代地壳典型值1.73。高的Vp/Vs无法仅用岩性解释，指示地壳存在部分熔融。本研究基于Gassmann方程考虑三种熔融场景(花岗岩-流纹岩、闪长岩-安山岩、镁铁质麻粒岩-玄武岩)估算研究区平均熔体分数约为4.5 vol%，在雷琼火山区内部可达7.0 vol%。假设初始地壳厚度为30 公里，雷琼火山区的伸展因子为1.33(区域平均约为1.23)，这与典型的伸展大陆边缘相当，火山区的高伸展量可能促进了岩浆的上升以及雷琼火山区的火山分布特征。
(2) P波接收函数偏移成像结果(图2)显示，雷琼火山区地壳呈现轻微增厚迹象，而P波接收函数波形叠加结果则显示为减薄特征。该研究通过构建理论模型并开展合成测试，证实沉积层的存在会导致偏移成像中虚假增厚的现象，而多次波震相能保留减薄的真实特征，从而阐明了波形叠加显示减薄而偏移成像显示增厚的原因。综合波形叠加和偏移成像的结果，该区地壳特征应为减薄与沉积层响应的共同效应。
(3) S波接收函数偏移成像结果(图2)显示岩石圈-软流圈边界(LAB)的深度从北部~90公里逐渐减薄至南部~60公里，雷琼火山区为岩石圈厚度渐变区域。测线北段60公里深度处存在岩石圈内部不连续面(MLD)。岩石圈减薄的特征与已有体波、面波层析成像结果相似，指示该区存在地幔上涌和岩石圈破坏特征。
研究区内岩石圈减薄现象分布于测线南段且范围广泛，地壳减薄特征则显著分布于火山集中的伸展区域，表明海南地幔柱及其分支的热侵蚀作用对现今岩石圈和地壳特征具有整体性影响，但局部火山集中区域仍以被动陆缘伸展作用为主导。与其他地幔柱热点(如夏威夷、亚速尔、留尼汪和黄石等)不同，雷琼火山区地壳呈现减薄而非增厚特征，这可能与其处于海南地幔柱外围，热通量较低、缺乏显著底侵作用有关。对比南海东北部的高速下地壳，雷琼火山区下方壳内低速异常进一步印证了熔融和热异常的存在。地壳减薄与高伸展量共同表明，被动陆缘伸展是控制现今结构的主导因素，而地幔柱则作为热源促进熔融过程。
据此，本研究提出了被动陆缘岩石圈与地幔柱相互作用的模型(图3)：在海南地幔柱热侵蚀与被动陆缘伸展应力共同作用下，软流圈上涌导致岩石圈地幔沿MLD发生滴落或拆沉，引发雷琼火山区地壳的部分熔融，显示为高Vp/Vs、低Vp和高电导率特征。而被动陆缘的伸展作用对地壳的影响在雷琼火山区可能超过地幔柱的作用。该研究揭示了被动大陆边缘和地幔柱对岩石圈改造的不同贡献，为多种地球深部过程导致的区域构造演化提供了研究范例。
相关成果发表于国际知名地学期刊《Geophysical Research Letters》，研究受国家自然科学基金，广东省科学基金，中国科学院广州地球化学研究所所长基金和中国科学院广州地球化学研究所十四五专项的联合资助。
论文信息：
Zhang,Z. (张周),Deng,Y. *(邓阳凡),Xu,Y.-G. (徐义刚),Li,X. (李鑫),& Zhang,J.(张锦昌),2025,Seismological evidence for crustal thinning and melting beneath the Leiqiong volcanic area,South China: implications for plume-lithosphere interaction at a passive continental margin,Geophysical Research Letters,52,e2025GL115307.
全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL115307
图1. (a) 雷琼火山区(LQV)及周边地形图。(b) 本研究使用的地震台站分布。绿色圆圈和蓝色圆圈分别标注GIG-LZ台阵和固定台站位置。(c) 远震事件射线追踪得到的Ps(红点)和Sp(蓝点)穿透点，蓝色线条为偏移成像剖面的位置。(d) 本研究采用的远震事件分布。红色三角形为研究区中心，红点和蓝点分别代表P波和S波事件。
图2. (a,b)沿A-A'剖面的P波接收函数(PRFs)和S波接收函数(SRFs)的叠后深度偏移成像(PSDM)图像。绿点表示P波接收函数波形叠加方法估算的地壳厚度。(c)A-A'剖面莫霍面、MLD和LAB界面的示意图。顶部俯视图显示地震台站分布：白色立方体为GIG-LZ阵列台站，蓝色立方体为固定台站。QBV: 琼北火山；LPV: 雷州半岛火山；WIV: 涠洲岛火山。
图3. (a)国内典型火山区地壳熔体分数的对比图。(b)雷琼火山区岩石圈改造与岩浆系统特征的概念模型图。绿橙条带标示剖面沿线的华南陆块、雷琼火山区与海南岛分界。
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