利用三维地磁深度探测技术研究中国东部地幔导电结构

《Frontiers in Earth Science》：Mantle conductivity structure beneath eastern China using 3-D geomagnetic depth sounding

地幔水合作用与三维几何磁层探测揭示中国东部俯冲带停滞板块的导电异常及部分熔融过程，通过整合200余个观测站的长期地磁数据，采用无结构有限元建模和有限内存拟牛顿优化算法，构建250-900 km深度三维电导率模型，发现 Bohai Bay 高导电异常与太平洋板块脱水相关，同时揭示 Hainan 地幔柱导电特征。

　　水在地幔中的分布对于地球深部动力学过程至关重要，包括板块俯冲、地震活动以及岩浆活动等。通过地震层析成像研究发现，俯冲至中国东部的地壳板块在地幔过渡带（深度约为410至660公里）中停滞。这一停滞的板块释放出的水分能够显著改变周围地幔的物理特性，产生明显的高导电性异常。因此，解析区域内的导电性结构对于理解停滞板块的几何形态和脱水状态具有重要意义，同时也有助于揭示中国东部地区频繁地震和新生代火山活动的成因机制。

传统的磁告诉图（Magnetotelluric, MT）探测技术受限于其频率范围，难以解析上千公里尺度的地幔结构。而地球磁场深度探测（Geomagnetic Depth Sounding, GDS）技术则利用超长周期的信号（超过100天），能够成像至约1600公里深处，成为研究地幔水分含量和部分熔融区域的重要手段。本文通过整合覆盖中国东部地区的长期地球磁场观测数据，采用三维无结构有限元GDS建模与反演方法，进一步提高了对地幔深部导电性结构的解析能力。

中国东部地区长期以来处于太平洋板块俯冲的前沿，其深部结构演化与区域地动力学过程密切相关。大量研究表明，俯冲板块携带的挥发性物质，尤其是水分，在通过地幔过渡带时会对地幔材料的物理性质和动态行为产生显著影响。水分能够降低地幔的粘度和固相线温度，从而促进部分熔融的发生，同时还能显著增强地幔的导电性。因此，对地幔深部导电性结构的成像对于揭示地幔水分分布、识别部分熔融区域以及理解区域地动力学过程具有重要意义。

尽管地震层析成像技术在解析地幔结构方面取得了显著进展，并揭示了中国东部可能存在的停滞板块及其分布（例如Si et al., 2016；Lai et al., 2019），但仅凭地震速度异常无法直接确定地幔材料的水分状态或导电性特征。为了更精确地解析地幔中的水分异常和物理性质变化，有必要采用对导电性变化更敏感的地学技术。GDS作为一种被动源电磁方法，通过分析地表的长周期地球磁场变化，能够成像至数千公里深处，为揭示地幔水分、部分熔融以及热结构提供了独特的视角。

然而，由于数据获取和计算资源的限制，大多数全球尺度的GDS研究主要关注大范围的导电性异常，导致成像分辨率较低，难以满足对特定区域详细结构解析的需求。Kelbert等人（2008）指出，观测站的密度是限制GDS反演分辨率的关键因素。近年来，Zhang等人（2020）系统整理了中国多个地区的长期地球磁场观测数据，并开发了一种稳定提取长周期传输函数的方法，为高分辨率GDS研究提供了坚实的数据基础。

地震层析成像研究表明，太平洋板块已经俯冲至中国东部的地幔过渡带，其在北中国和东北南部地区水平延伸，并在停滞板块之上形成了一个广阔的地幔楔（Huang and Zhao, 2006；Tian et al., 2016；Ma et al., 2017）。为了补充这些地震观测结果，Guang-Jing等人（2015）将北中国地区的地球磁场观测数据转换为磁告诉图标量阻抗数据，并通过一维反演揭示了北南重力带区域内的显著导电性差异。由于地球磁场观测站分布较为稀疏，许多后续研究也依赖于一维反演来分析这一区域。然而，地幔导电性的强烈异质性使得一维方法难以准确解析异常结构的几何形态和连续性。这种简化的处理方式无法捕捉到所需的区域空间复杂性，因此，更高维度的反演技术，特别是三维磁告诉图建模，对于提供更可靠地幔导电性特征和推动对中国东部地区俯冲相关地动力学过程的理解至关重要。

基于此背景，本文利用中国大陆的广泛地球磁场观测网络，采用三维无结构四面体有限元正演建模方法，结合有限内存的拟牛顿优化策略，对中国东部地幔的导电性结构进行了研究。通过高精度的三维GDS成像，我们解析了地幔过渡带和上地幔的导电性结构，从而探索水分和部分熔融的分布情况。这些研究结果有望为中国东部地幔物质分布和地动力学演化提供新的地球物理证据和理论约束。

在GDS研究中，通常将地表记录的磁场时间序列数据转换为频率域的C响应或其他传输函数，以消除源电流强度的影响。本文采用广泛应用的C响应函数，其表达式如式（1）所示：

$$ C(\omega) = -\frac{a_0}{2} \tan\theta \cdot \frac{Z}{H} = -\frac{a_0}{2} \tan\theta \cdot \frac{H_r}{H_\theta} $$

其中，$ a_0 $ 是源场的补偿项，$ \theta $ 是地磁观测点与源区之间的夹角，$ Z $ 和 $ H $ 分别代表电场和磁场的分量。C响应的单位为公里。在本研究中，我们采用了一个全球平均导电性模型作为背景模型，该模型允许在1600公里深度以上的八个层自由变化，而1600公里至外核之间的四个层则被固定为横向均匀分布，因为地磁感应对这些深度的导电性结构不敏感。

为了突出与背景模型的偏差，我们将反演得到的三维导电性结构与一维背景模型进行了对比。我们计算了两者的对数比值，并绘制了10°–60°N、90°–140°E区域的水平切片图（图4）。考虑到本研究使用的最短周期为1.13天，模型对浅于约200公里的结构不敏感。鉴于GDS在410至1200公里深度范围内具有最佳的解析能力，我们主要展示了250至900公里深度的导电性结果。

在250至410公里深度范围内，中国中部和东北中部地区出现了显著的高电阻率异常，而山东半岛和渤海湾周边则显示出高导电性。在410至520公里深度范围内，东北地区的高电阻率异常增强，同时南海地区出现高导电性异常，其空间位置与Li和Liu（2023）识别出的海南地幔柱一致。这一导电性异常从下地幔向上延伸至上地幔。

在520至670公里深度范围内，渤海湾的导电性异常向西延伸并呈现出南北走向。该异常可能与来自西太平洋俯冲带的富含水分的停滞板块有关，并与地震层析成像显示的燕山造山带下方的低速结构相匹配。与此同时，中国中部的高电阻率异常范围有所减小。

在670至900公里深度范围内，先前观测到的高电阻率异常变得不那么明显，而华北和内蒙古地区则呈现出高导电性，这可能反映了华北-南北地震带下方的深部热力学结构。在中央造山带的西部，导电性随深度变化的梯度相对均匀，并且显著低于周围区域，表明可能存在一个相对寒冷的地幔通道，其与深部冷地幔柱的潜在联系值得进一步研究。

总体而言，中国东部地幔的导电性结构表现出以下特征：（1）在250至670公里深度范围内，中国中部和东北中部地区存在显著的高电阻率异常；（2）在410至900公里深度范围内，南海-海南地区持续存在高导电性异常，可能与地幔柱活动有关；（3）在520至900公里深度范围内，渤海湾及其周边地区存在一条高导电性带，向西延伸并沿南北轴分布，可能受到停滞板块及其水分变化的影响。这些导电性模式与地震速度结构和岩石圈地动力学证据保持一致。

本研究首次利用覆盖中国东部地区的3.5至113天周期的C响应数据，构建了一个三维地幔导电性模型。反演结果揭示了从250至900公里深度范围内的连续导电性异常，主要集中在山东半岛和渤海湾下方。导电性模型支持了西太平洋俯冲带向地幔过渡带输送大量水分的解释，并提供了海南地幔柱存在的有力证据。

值得注意的是，GDS的深度敏感性限制了其对浅部上地幔中停滞板块几何形态的解析能力。因此，可以采用长周期磁告诉图（MT）等互补方法，以更好地约束上地幔的导电性结构。未来结合GDS和长周期MT数据的联合反演研究，有望显著增强我们对中国东部俯冲带过程的理解能力。