楊旭松等-Nature: 俯沖板塊中的玄武巖成分異常主導其深部命運

地幔對流如同地球內部的“循環系統”，不斷將淺表物質輸送至深部，又將深部物質帶回地表，從而實現地球的“散熱”。這一過程對地球長期演化至關重要——它驅動并維持著板塊構造的運行，同時承載著深部揮發物的循環，在億萬年尺度上穩定了地球的大氣、水圈與氣候環境，為生命的孕育與延續提供了基礎保障。

在這一過程中，地幔過渡帶被視為“地幔對流的守門員”：當俯沖板塊從上地幔進入地幔過渡帶時，既可能繼續下沉至下地幔，也可能停滯于此。控制這一過程的因素眾多，其中之一便是地幔過渡帶物質成分的非均一性 (Goes at al., 2022)。近年來，地震學研究逐漸揭示出地幔過渡帶底部存在廣泛的玄武巖富集，且主要集中在現代俯沖帶附近 (Tauzin et al., 2022,Yu et al., 2023)。這些玄武巖通常被認為是俯沖洋殼在與巖石圈分離后，在地幔過渡帶中堆積形成的 (Feng et al., 2021)。然而，海洋地殼與巖石圈的分離過程本身并不容易，且現今俯沖洋殼的規模也難以完全解釋這些廣泛的玄武巖異常（Tauzin et al., 2022），其來源及與俯沖動力學的關系仍存在諸多未解之處。

為深入探究地幔過渡帶中的成分異常及其對俯沖板塊行為的影響，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化與環境演變全國重點實驗室楊旭松博士聯合得克薩斯大學奧斯汀分校謝裕江博士、伍茲霍爾海洋研究所 Catherine A. Rychert 和 Nicholas Harmon 教授、帝國理工大學 Saskia Goes 教授、卡爾斯魯厄理工學院 Andreas Rietbrock 教授、西印度群島大學 Lloyd Lynch 教授及VoiLA 研究團隊其它成員，基于“小安的列斯群島揮發分循環過程研究計劃”（Project VoiLA: Volatile Recycling in the Lesser Antilles）布設的大量海底地震儀觀測數據，對該區域地幔過渡帶結構進行了系統成像 （圖1） 。

圖1?研究區域構造簡圖
三角形和菱形分別表示海底與陸上地震臺站（顏色區分數據來源），白色等值線表示俯沖板片等深線（單位：km）

研究團隊采用遠震接收函數成像技術，在小安的列斯俯沖帶下方識別出一個異常增厚的地幔過渡帶（>300 km） （圖2c） ，主要由異常加深（>700 km）的地幔過渡帶底部邊界——即660界面所致 （圖2b） 。通常情況下，660界面的深度變化由林伍德石（Ringwoodite）的相變主導，反映不同溫度條件下的相變壓力。然而在該區域，660界面的深度已超出林伍德石相變所能解釋的范圍，更合理的解釋是該界面由石榴子石的相變主導 (圖3a) 。考慮到在該區域的溫度狀態下，由石榴子石相變主導660界面需要較高的玄武巖含量 （圖3b） ，因此這一異常深度本質上反映了地幔過渡帶中存在顯著的玄武巖富集。

圖2小安的列斯區域地幔過渡帶結構特征與波速擾動

（a）410界面深度分布（b）660界面深度分布（c）地幔過渡帶厚度分布（d）地幔過渡帶底部速度擾動（Braszus et al., 2021）。圖 a–c 中的等值線表示相應深度處的波速擾動。圖d中的灰色等值線表示構造重建的俯沖板片位置，黃色方塊和星號表示構造重建預測的俯沖洋中脊位置（Braszus et al., 2021）。圖d中的高速體代表俯沖的板片，夾在其中的低速體被解釋為俯沖的洋中脊殘留結構（Braszus et al., 2021）

圖3地幔過渡帶底部礦物相變邊界與地震學模擬結果

(a) 預測的礦物相變邊界與觀測到的 660 km 界面深度統計（統計網格見圖 2b）。藍色和橙色虛線分別表示熱動力學模擬中小安的列斯俯沖帶的冷（Model A）與熱（Model D）地溫剖面上限與下限。結果顯示，在該區域的溫度條件下，石榴石（garnet）的相變最能解釋觀測到的 >700 km 深的660界面。(b) 基于不同玄武巖組分的接收函數模擬結果。圖中顯示，只有在較高玄武巖含量下，石榴石相變才會主導 660 km 界面，導致其在成像中表現為異常加深

更為引人注目的是，這些玄武巖富集的分布位置，并未如傳統“堆積洋殼”模型所預測那樣出現在板片前緣，而是位于俯沖板片及其后方區域，與此前研究提出的“俯沖洋中脊”位置高度吻合（圖2）。研究推測，大量玄武質巖漿可能在洋中脊附近凍結并嵌入巖石圈(Sim et al., 2024)，隨后隨板塊一同俯沖進入地幔過渡帶，導致了局部的玄武巖富集。

此外，在地幔過渡帶底部，玄武巖相較于周圍地幔巖密度更低(Ballmer et al., 2015)，因此當俯沖板塊中存在大量玄武巖異常時，其繼續下沉至下地幔的能力將顯著受限。而板片在過渡帶中的滯留，會進一步促進玄武巖的局部堆積。

此前，石榴子石相變控制的660界面僅在熱點地區有所報道，而此次在相對較冷的俯沖帶首次觀測到該機制，具有重要意義。研究結果表明，由洋中脊活動或其他構造過程引發的大洋巖石圈內部成分不均一性，能夠在板塊深俯沖過程中持續發揮影響，不僅影響了地幔過渡帶的成分結構，也深刻影響了俯沖板塊的深部運移過程。

研究成果2025年4月9日在線發表于國際頂級學術期刊Nature（楊旭松，謝裕江，Catherine A. Rychert, Nicholas Harmon, Saskia Goes, Andreas Rietbrock, Lloyd Lych, & Members of the VoiLA Working Group. Seismic imaging of a basaltic Lesser Antilles slab from ancient tectonics [J].Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08754-0）。

該研究受國家自然科學基金項目（42488201，92355001 and 42030308）和中國科學院戰略性先導科技專項（B類）（XDB0710000）等聯合資助。

編輯：劉強