Science：东南极上地幔地震研究——冰冻圈、岩石圈和软流圈对板内地震的共同控制

摘要：板内非俯冲带地震是指发生在板块内部、远离板块活动边界的构造地震。上地幔因高温高压环境，不利于发生脆性破裂，但有些非俯冲带板内地震的深度超过70 km，其成因尚不清楚。此前，仅有阿富汗兴都库什、摩洛哥阿特拉斯山脉、罗马尼亚弗兰恰地区、青藏高原和美国中部等少数几个地区，曾报道过此类事件，通常将地震归因于流体作用、高应变率、古俯冲板块残留、大陆岩石圈拆沉或“岩石圈滴落”等机制。在最近发表于Science的研究中（Ho et al., 2026），作者利用深度学习地震事件检测技术，从区域地震数据中识别出东南极板内中源地震并进行了重定位（图1），研究发现，该地区中源地震发生的深度分布特征可由东南极洲边缘由热驱动抬升作用引发的弯曲应力集中和岩石圈强度突变来解释，且受到冰冻圈、岩石圈和软流圈等多圈层间相互作用的共同控制。作者推测全球范围内的板内中源地震发生频率可能远高于当前认知，亟需高精度的地震检测技术来发现更多类似事件。

图1 研究区域地图及剖面图。(A) 地图显示了重定位后的地震事件（品红色圆圈），背景为冰下基岩地形图。DFR-深冻山脉；DG-戴维冰川；RSR-皇家学会山脉；TAMs-横贯南极山脉；WARS-西南极裂谷系统；WSB-威尔克斯冰下盆地。(B-C) 分别沿剖面A–A′和B–B′绘制的地震事件位置，背景为重定位所用的剪切波速度 (Vs) 扰动和岩石圈-软流圈边界 (LAB)。（上）冰下基岩地形（黑色）和冰层厚度（蓝色）。粗水平线表示海平面，细灰线表示1 km间隔。垂直放大倍数（VE）列于图B和图C的右下角；（左）红色方框表示图中右侧放大的部分；（右）图中还显示了计算得到的震源机制 一、关键方法与发现

现有板内地震的研究经常受制于相关地震事件识别困难和定位精度不足。阿拉巴马大学牵头的研究团队首先利用迁移学习增强的深度学习地震事件自动检测技术，建立了2012-2015年间东南极维多利亚地区域包含1859个事件的初始地震目录。随后将精训后的神经网络用于处理跨南极山脉地震实验（2001–2003年）以及戴维冰川台阵（2003–2004年）数据（图2）。在对该地区总共49个地震台站观测数据处理后，共检测出6782个地震事件，其中3767个位于戴维冰川下方。团队进一步通过概率定位方法（NonLinLoc）和修正的三维横波速度模型（AN1-S）对事件进行重新定位，并采用多种手段验证结果可靠性。最后获得发生在戴维冰川下方区域1.6-3.5级的地震共有1068次，其中510次为中源地震，深度在100–150 km之间，它们集中分布于上地幔，靠近岩石圈-软流圈边界。这些事件与另一组浅源事件（0–40 km深度）在空间上明显分离。浅源事件可归因于冰盖底部的粘滑行为及冰体运动引起的应力变化，而中源地震的成因则与冰冻圈、岩石圈和软流圈等圈层间的相互作用有关。

图2 地震检测与重定位验证示例。(A) 2015年7月26日22:49:34发生的板内中源地震经高通滤波(1 Hz)后的波形。由自动检测算法确定的P波和S波到时分别用红色和蓝色虚线表示。(B)同一事件的垂直和水平分量的概率密度函数。红色虚线表示计算出的震源深度和相对位置。颜色标度显示了每1 km间隔内的样本数量，每个样本代表基于到时数据的一个可能的事件位置。(C) 测试震源深度分别为0、40、100和150 km时的空间映射S-P走时（橙色圆圈）。每个圆圈的半径表示特定台站对应的S-P走时 二、成因机制解释

该地区的中源地震群位于东南极岩石圈（寒冷、厚）与西南极裂谷系统岩石圈（温暖、薄）的边界上，地震波速度梯度及热结构变化显著，100–150 km深处的温度约690°C，接近地幔脆性破裂的上限（700±100°C），因此积累的构造应力可触发脆性破坏引发地震。同时，邻近的西南极地幔温度在该深度范围内高达1200–1300°C，由粘性蠕滑引起局部升温，进而导致的热剪切失稳，同样会引发以走滑为主的地震。

上述构造过程可以解释该地区中源地震发生的深度分布特征，但不能够解释为何地震仅集中于戴维冰川而非整条跨南极山脉边界。已有地球动力学模型认为，板内地震活动受到岩石圈厚度和软流圈流动的共同控制，此处也不例外。大地测量与地震层析成像表明，戴维冰川南北两侧的深冻山脉和皇家学会山脉下方存在缓慢的上地幔物质上涌，导致较高的垂直应力和弯曲抬升；戴维冰川下方的基底弯曲变形应力达到最大，形成了浅部压缩、深部拉伸的应力分布（图3）。此外，冰川过程（如冰川侵蚀、均衡调整）也会导致东南极边缘岩石圈的垂向应力变化。冰盖质量变化引起的地球固体圈层黏弹性响应可改变岩石圈的应力平衡，进一步促进该地区中源地震的发生。该研究体现了冰冻圈、岩石圈和软流圈对该地区中源地震有着共同控制作用。

图3 该地区板内中源地震发生机制卡通图。（上图）横贯南极山脉前缘的冰下基岩地形，高海拔的皇家学会山脉和深冻山脉与海拔较低的戴维冰川出口相邻。（下图）东南极岩石圈边缘的挠曲载荷（未按比例绘制）。皇家学会山脉和深冻山脉下方的上地幔温度升高，叠加戴维冰川的地表载荷，导致戴维冰川下方岩石圈-软流圈边界附近出现向 下 凹陷的弯曲，并产生板内中源地震（白色星号） 三、总结与展望

研究首次在东南极洲识别出大规模的上地幔板内中源地震，揭示了冰冻圈、岩石圈和软流圈相互作用共同控制该地区板内中源地震发生的机制，为理解板内地震的成因提供了新视角。

该研究推测克拉通边缘因存在强烈的岩石圈强度梯度和边缘驱动地幔对流，可能也是板内中源地震的频发地带。如果能应用深度学习等地震事件检测工具，可能可以发现更加普遍的类似中源地震，这将为后续板内地震危险性评估和地球动力学研究提供重要支撑。

主要参考文献

Ho L M, Sánchez-Roldán J L, Hansen S E, et al. Upper-mantle earthquakes beneath East Antarctica[J]. Science, 2026, 392(6801): 942-945.

（撰稿：张振东；审核：韦生吉/油气理论与方法学科中心）