张良雨 | 田小波等: Pn波接收函数约束喜马拉雅地壳热结构

在印度与欧亚大陆的持续汇聚过程中，印度上地壳在雅江缝合带以南被剥离、堆叠，形成了喜马拉雅造山带。但在此过程中，印度下地壳是否也参与了造山过程以及如何参与，学界存在不同的认识。这个问题不仅关系到陆陆碰撞如何造山，也关系到喜马拉雅的岩石组成及其变质和演化。目前关于印度下地壳物质的剥离主要存在板间摩擦作用剥离和放射性生热的塑性剥离两种模型，两种模型对应的喜马拉雅地壳热结构截然不同（图1b、图1c）。

图1 研究区构造背景。（a）喜 马拉雅造山带地形图及 研究使的Hi-CLIMB宽带地震台阵位置。蓝色三角形代表研究中使用的地震台站。蓝线和红线代表前人深部结构探测剖面的位置。MFT：主前锋逆冲断裂；MBT：主边界逆冲断裂；MCT：主中央逆冲断裂；STDS：藏南拆离系；YZS：雅鲁藏布江缝合带；SH：次喜马拉雅；LHS：小喜马拉雅岩系；GHC：高喜马拉雅岩系；THS：特提斯喜马拉雅岩系。（b）和（c）喜马拉雅造山带地壳的两个热模型：（b）摩擦生热模型；（c）放射性生热模型。图中MHT（主喜马拉雅逆冲断裂）指示印度俯冲板片在喜马拉雅下方俯冲的顶界面

为此，中国科学院地质与地球物理研究所博士生张良雨和导师田小波研究员，与王佳敏副研究员、梁晓峰研究员合作，利用Pn波接收函数方法沿Hi-CLIMB剖面（图1a）对喜马拉雅造山带地壳结构进行成像。与传统的远震接收函数成像相比， Pn波接收函数方法有更高的地震波频率和空间分辨率，对壳内界面也更加敏感。成像结果（图2a）显示了北倾的MHT（主喜马拉雅逆冲断裂）和Moho面，印度地壳向北逐渐减薄，说明印度下地壳在喜马拉雅下方俯冲过程中也在发生持续的物质剥离减薄。更重要的是MHT与其上方的低速界面L1，L2，L3勾勒出一个楔形低速区（图2b）。

图2 Pn波接收函数CCP成像结果。（a）为大范围成像结果。（b）深部MHT和楔形低速区顶界面之间的细节。CCP背景上的灰色波形显示偏移到深度的Pn波接收函数。红色和蓝色填充分别表示置信水平超过95%（幅度大于两倍CCP叠加窗标准差）的正震相和负震相，表明稳健的Pn波接收函数震相。L1，L2，L3是本研究识别的MHT上方低速界面

如图1b，印度俯冲板片与上覆造山带的摩擦生热只会造成主喜马拉雅逆冲断裂（MHT）附近岩石的高温，这样就会形成一个沿MHT分布的窄的地震波低速带（如图3a、图3b）。放射性生热模型（图1c）中地壳岩石放射性元素的衰变会造成壳内更大深度范围的高温，会形成MHT上方较大深度范围内的楔形地震波低速区（图3c）。而实测数据的成像结果（图2b）中的低速特征符合放射性生热模型的预测成像结果（图3d），表明印度俯冲板片上方的喜马拉雅地壳存在一个放射性生热形成的楔形低速区，通过高温弱化MHT下方的俯冲印度地壳顶部的岩石，使其剥离并卷入喜马拉雅造山带。

图3 基于两种热模型的Pn波接收函数正演结果。（a）和（c）低速分布分别与摩擦生热模型和放射性生热模型的高温分布相对应的地壳速度模型；（b）和（d）相应速度模型的理论合成Pn波接收函数CCP图像

不同的热结构模型中被剥离的岩石表现出不同的温度—压力（P-T）折返过程。摩擦生热模型高温范围较窄，岩石折返表现为减压降温过程；而放射性生热模型高温范围较大，岩石折返表现为等温至升温减压过程（图4a-图4c）。通过分析区域变质岩的P–T轨迹几何特征，发现研究剖面所在的中部及喜马拉雅东部的变质岩样品具有较宽的P–T轨迹形态（图4d、图4e），指示其经历了近等温或升温的折返过程，这与放射性生热模型所的预测一致。综合高导层分布、地热分布和穹窿的分布，推测放射性生热导致喜马拉雅中、东部的地壳存在大规模的高温异常区，俯冲的印度下地壳顶部被加热-剥离进入造山楔。这一过程也避免了深部剥离的脆性破裂和地震的发生。

图4 地壳热结构与变质岩折返。（a）和（b）剪切生热模型和放射性生热模型岩石折返过程示意图。黑色和深绿色的曲线示意印度地壳岩石的折返路径；（c）两个热模型的理论压力-温度(P-T)曲线。虚线椭圆表示P-T曲线拟合的椭圆及其长轴（a）和短轴（b）；（d）前人研究的变质岩样本、热流值和北喜马拉雅穹窿的空间分布。变质岩样品颜色含义与（e）一致，如红色表示等温或升温折返过程；（e）变质岩样品的P-T曲线，颜色代表拟合椭圆的b/a值，比值越大（颜色越偏红）表示折返过程越接近等温或升温

研究成果发表于国际学术期刊GRL（张良雨，田小波*，王佳敏，梁晓峰. Thermal structure beneath the Himalayan orogen revealed by Pn-wave receiver function imaging[J].Geophysical Research Letters, 2026, 53: e2026GL122042. DOI:10.1029/2026GL122042.）。研究受国家自然科学基金（42450005和42030308）、深地国家科技重大专项（2024ZD1000100）的资助。