地壳厚度和熔融分数是认识火山区地壳变形和岩浆作用的基本信息。苏门答腊岛北部亚齐地区位于印度-澳大利亚板块相对巽他陆块俯冲作用和安达曼海海底扩张作用共同影响的大陆边缘地区（图1a），火山作用异常，即新近纪中新世弧火山活动停止，第四纪弧火山重新活化并向北迁移（图1b）。相对苏门答腊岛其他区域，亚齐地区海沟走向发生“大转弯”，转弯处与2004年9.2级和2005年8.7级大地震破裂分区位置相对应，这一复杂的构造变化导致苏门答腊北部存在强烈而广泛的壳内变形（图1b）。但是由于缺少密集地震观测，对该地区地壳结构和性质的约束不足，限制了对该地区异常火山作用和火山-断层相互作用的认识。 

图1 （a）构造背景；（b）地震和火山活动。黄色区域表示2004年9.2级地震和2005年8.7级地震破裂范围。黄色圆点表示远离大苏门答腊断层历史5.5级以上地震，反映地壳弥散变形。（c）数据分布。绿色圆点表示远震位置

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室岩石圈演化动力学学科组博士生冯铭业与导师陈凌研究员、新加坡南洋理工大学韦生吉副教授等提出接收函数H-Φ叠加地震学新方法，该方法通过网格搜索得到拟合接收函数Ps转换波和多次波震相到时的最优地壳厚度和熔融分数估计，以及与熔融分数相对应的波速和波速比估计（图2）。印度尼西亚和新加坡的合作者克服了新冠疫情带来的重重困难，在亚齐地区布设了155个短周期密集地震台，获得了约1.5年的观测数据（图1c）。这些珍贵的数据为亚齐地区高分辨率地壳厚度和熔融分数研究提供了基础。 

图2 H-Φ叠加搜索。通过网格搜索得到最优拟合接收函数Ps转换波震相和多次波震相到时的地壳厚度和熔融分数估计

研究发现，亚齐地区地壳厚度约20-40 km，平均约29 km，与该地区Crust1.0模型结果相近（～31 km），且小于全球拉张型大陆地壳厚度平均值（～30.5 km），推测研究区地壳受到强烈的拉张作用而发生了减薄（图3a），可能与安达曼海的海底扩张作用有关（图1a）。研究区地壳熔融分数高至19%，平均约12%（对应波速比～1.65-2.19，平均值～1.98，图3b），与全球火山地区地壳波速比范围（>1.87）和全球其他火山区地壳熔融分数（～9%）相当（图4b）。熔融分数反映地壳熔融量体积比，平均约12%的熔融分数说明苏门答腊北部存在大量且广泛分布的壳内岩浆。研究还发现，在断层地表分支位置处地壳厚度和波速比（熔融分数）存在明显负相关性（图4a），可能说明地壳拉张变形促进了壳内断层活动，有助于壳内岩浆的补给和积累。 

根据同位素地球化学特征分析，前人推测苏门答腊北部火山活化和北向迁移与安达曼海打开的拉张作用所导致的岩石圈地温梯度变化有关，但未提供支持苏门答腊北部岩石圈拉张变形的直接观测证据。该研究观测到的薄地壳为支持安达曼海扩张作用引起火山异常迁移这一演化机制提供了重要的观测支撑。 

图3 （a）地壳厚度分布；（b）熔融分数和Vp/Vs分布

图4（a）地壳厚度和波速比相关性，断层分支处如图3b红色框所示；（b）全球不同火山区地壳熔融分数估计，黄色条带表示熔融分数范围，红色条带表示熔融分数最小值或者仅提供区域平均值的前人结果，绿色菱形表示区域平均　　  

该项研究为定量估计火山区地壳熔融量提供了新方法，对认识苏门答腊北部异常火山作用和火山-断层活动关联性带来了新的启示。研究成果发表于国际学术期刊GRL（冯铭业，韦生吉^*，陈凌^*，Umar Muksin, Karen Lythgoe，王拓，吴子木. Pervasive Crustal Volcanic Mush in the Highly Stretched Sunda Plate Margin of Northern Sumatra [J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(21): e2023GL104391. DOI: 10.1029/2023GL104391.）