喜马拉雅地区的次莫霍地震发生在岩石圈的地幔层中吗？

《Tectonophysics》：Are Himalayan sub-Moho earthquakes in the petrological mantle?

青藏高原下方地壳-地幔边界（CMB）与 Moho 定位的差异及其对脆性变形的启示。通过 S-波与 P-波延迟时间比较（S-P 方法）和接收函数 CCP 图像分析，发现南西藏 13 个近 Moho 地震中 9 个位于约 60 公里 Moho 下方但多在 80 公里 CCP 转换带之上，推测 80 公里转换带为兼具地震波速边界（Moho）和 petrological CMB 的复合界面，代表部分 eclogitization 的印度下地壳。这一解释揭示了印度板块下地壳在俯冲过程中可能形成脆性可震层，而更深部超镁铁质地幔保持塑性变形特性。

　　近年来，喜马拉雅山脉和青藏高原的地震活动引起了广泛的关注，尤其是那些发生在莫霍面（Moho）以下的地震。这些地震被认为可能反映了上地幔中存在脆性变形的区域，从而支持了“脆性上地幔”这一理论概念。然而，莫霍面的定义和实际地质结构之间存在一定的模糊性，这使得对这些地震的解释变得复杂。莫霍面通常指的是地震波速度和密度的分界点，而“地壳-地幔边界”（CMB）则是一个更广泛的地质概念，用于区分地壳与地幔的岩石组成差异。这种区分对于理解地震的发生机制和地壳内部的物质状态至关重要。

本文研究的焦点是南喜马拉雅地区的地震活动，特别是那些被确认发生在莫霍面以下的地震。研究人员利用“S-P方法”（S-minus-P方法）对Hi-CLIMB-2D阵列中的地震数据进行了分析，发现有九次地震发生在大约60公里深的接收函数转换点之下，但大多数地震的位置实际上位于约80公里深的转换点之上。这表明，传统的莫霍面定义可能并不完全适用于这一地区的地质结构。研究人员进一步提出，80公里深的转换点不仅是局部的莫霍面，还可能代表了该区域的地壳-地幔边界，即所谓的“岩石学莫霍面”。这个转换点可能标志着地壳岩石从榴辉岩向超基性岩的转变，或者是从部分榴辉岩化到完全榴辉岩化的过渡区域。

此外，研究还发现大约100公里深的转换点位于这九次地震的下方，并可能覆盖了所有发生在莫霍面以下的地震。研究人员推测，这一转换点代表了榴辉岩层的底部。根据这一解释，喜马拉雅山脉下的莫霍面以下地震可能主要发生在印度大陆地壳的榴辉岩化层中，而该层的地壳可能比其下方的超基性上地幔更具脆性，因此能够发生地震活动。这一观点与传统的“脆性上地幔”理论形成对比，表明在喜马拉雅地区，地壳内部的榴辉岩化层可能在某些条件下具备脆性变形的能力。

在过去的几十年里，科学家们对喜马拉雅和青藏高原近莫霍面地震的研究取得了显著进展。这些地震的存在被认为是了解上地幔变形过程的重要线索。然而，关于这些地震的确切深度和位置，仍然存在许多争议。一些研究认为这些地震发生在地壳内部，而另一些则认为它们发生在上地幔中。这种争议源于对莫霍面和地壳-地幔边界的定义不一致，以及不同研究方法对地震深度的测量误差。因此，如何准确识别地震的深度，并将其与莫霍面和地壳-地幔边界进行区分，成为研究的重要挑战。

为了更准确地识别这些地震，研究人员开发并应用了多种方法，包括使用合成数据拟合地幔转换相（Jiang et al., 2009；Zhu and Helmberger, 1996）、S-P延迟时间比较（Schulte-Pelkum et al., 2019）以及Sn/Lg振幅比分析（Wang and Klemperer, 2021）。其中，Sn/Lg方法被广泛用于识别喜马拉雅和青藏高原的莫霍面以下地震。通过这种方法，研究人员已经确认了超过100次这样的地震发生在南喜马拉雅和西北喜马拉雅地区（Song and Klemperer, 2024；Wang and Klemperer, 2021, 2024, 2025）。这些地震的分布模式与接收函数（RF）双峰现象和榴辉岩的推断区域高度吻合，进一步支持了这一地区存在显著的榴辉岩化层。

然而，尽管越来越多的地震被确认发生在莫霍面以下，仍然存在一个关键问题：这些地震是否也发生在地壳-地幔边界以下？地壳-地幔边界通常指的是岩石学意义上的分界点，它将地壳（包括基性岩和长英质岩）与地幔（包括超基性岩和其他地幔物质）区分开来。在某些区域，基性榴辉岩或基性向超基性岩转化的岩浆堆积可能存在于莫霍面和地壳-地幔边界之间。例如，在中中新世时期，喜马拉雅中部和东部的基性榴辉岩沉积表明，部分印度地壳在超过60公里的深度发生了榴辉岩化（Grujic et al., 2011；Wang et al., 2017）。此外，热力学和动力学模型预测，在喜马拉雅弧带的深度超过40公里的区域，印度地壳的基性部分可能经历了广泛的榴辉岩化（Henry et al., 1997）。这一预测也得到了重力测量（Cattin et al., 2001；Hetényi, 2007）和接收函数双峰现象（Nábělek et al., 2009；Schulte-Pelkum et al., 2005；Shi et al., 2020；Wittlinger et al., 2009）的支持。

在某些区域，部分榴辉岩化的基性地壳可能形成一个速度显著高于其上覆长英质岩但低于其下超基性地幔的层，这种层的存在可能会产生与超基性地幔相似的地震波相，从而使得地震波的来源难以区分。这种现象在图2b和图2c中得到了进一步的说明。因此，研究人员认为，几乎所有的南喜马拉雅莫霍面以下地震都发生在这些区域，这可能与该地区存在显著的榴辉岩化层和精细的莫霍面地形有关。

为了更准确地确定莫霍面的深度，研究人员对南喜马拉雅地区的13次精确定位的近莫霍面地震进行了分析，并将它们的深度与接收函数的共同转换点（CCP）图像进行了比较。他们发现，之前的接收函数转换点（HIMNT结果，Schulte-Pelkum et al., 2005）在CCP东剖面图像（图4）中并不完全连续，这可能是由于研究方法的差异，例如在沿地壳方向上的数据汇总范围不同（HIMNT汇总了超过200公里的数据，而当前研究仅汇总了约30公里的数据），以及在横向平滑处理上的不同（HIMNT图像使用了更广泛的平滑范围）。因此，研究人员尝试确定哪些接收函数转换点最能代表莫霍面，并进一步推断这些转换点是否也对应于地壳-地幔边界。

在讨论和解释部分，研究人员提出了一个新的模型，认为之前被解释为莫霍面的转换点C1实际上是印度大陆下地壳中榴辉岩化层的顶部，而该层的榴辉岩化程度可能随着深度增加而增强。他们建议，莫霍面（按定义，速度和密度的增加，因此可能也对应于地幔的典型值）最好由转换点C2来代表，因为C2能够提供从喜马拉雅下部（Sub-Himalayan）到喜马拉雅-特提斯（Tethyan Himalayan）之间莫霍面的平滑连接。这一模型不仅有助于解释地震的发生机制，还可能对理解喜马拉雅地区的地壳结构和变形过程提供新的视角。

此外，研究人员还指出，由于地壳内部存在显著的榴辉岩化层和精细的莫霍面地形，地壳深度的观测结果可能会出现较大的变化。因此，如何准确区分这些地质结构，对于进一步研究地震的发生机制和地壳内部的物质状态具有重要意义。通过这种方法，科学家们能够更精确地识别地震的深度，并将其与莫霍面和地壳-地幔边界进行对比，从而为理解喜马拉雅地区的构造活动提供新的证据。

总体而言，这项研究通过结合多种方法，对喜马拉雅和青藏高原的近莫霍面地震进行了深入分析，揭示了该地区地壳内部可能存在复杂的榴辉岩化层和地壳-地幔边界。这些发现不仅有助于解决关于地震深度和位置的长期争议，还可能为理解地壳内部的物质状态和变形机制提供新的思路。未来的研究可以进一步利用高分辨率的地震数据和先进的成像技术，以更全面地揭示喜马拉雅地区的地壳结构和地震活动特征。