楊旭松等-Nature: 俯沖板塊中的玄武巖成分異常主導(dǎo)其深部命運(yùn)

地幔對流如同地球內(nèi)部的“循環(huán)系統(tǒng)”，不斷將淺表物質(zhì)輸送至深部，又將深部物質(zhì)帶回地表，從而實(shí)現(xiàn)地球的“散熱”。這一過程對地球長期演化至關(guān)重要——它驅(qū)動并維持著板塊構(gòu)造的運(yùn)行，同時(shí)承載著深部揮發(fā)物的循環(huán)，在億萬年尺度上穩(wěn)定了地球的大氣、水圈與氣候環(huán)境，為生命的孕育與延續(xù)提供了基礎(chǔ)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(dāng)俯沖板塊從上地幔進(jìn)入地幔過渡帶時(shí)，既可能繼續(xù)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(zhì)成分的非均一性 (Goes at al., 2022)。近年來，地震學(xué)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(xiàn)代俯沖帶附近 (Tauzin et al., 2022,Yu et al., 2023)。這些玄武巖通常被認(rèn)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(xiàn)今俯沖洋殼的規(guī)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(xué)的關(guān)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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變?nèi)珖攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊旭松博士聯(lián)合得克薩斯大學(xué)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(xué) Saskia Goes 教授、卡爾斯魯厄理工學(xué)院 Andreas Rietbrock 教授、西印度群島大學(xué) Lloyd Lynch 教授及VoiLA 研究團(tuán)隊(duì)其它成員，基于“小安的列斯群島揮發(fā)分循環(huán)過程研究計(jì)劃”（Project VoiLA: Volatile Recycling in the Lesser Antilles）布設(shè)的大量海底地震儀觀測數(shù)據(jù)，對該區(qū)域地幔過渡帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)成像 （圖1） 。

圖1?研究區(qū)域構(gòu)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(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來源），白色等值線表示俯沖板片等深線（單位：km）

研究團(tuán)隊(duì)采用遠(yuǎn)震接收函數(shù)成像技術(shù)，在小安的列斯俯沖帶下方識別出一個(gè)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(dǎo)，反映不同溫度條件下的相變壓力。然而在該區(qū)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(dǎo) (圖3a) 。考慮到在該區(qū)域的溫度狀態(tài)下，由石榴子石相變主導(dǎo)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(zhì)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(qū)域地幔過渡帶結(jié)構(gòu)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(yīng)深度處的波速擾動。圖d中的灰色等值線表示構(gòu)造重建的俯沖板片位置，黃色方塊和星號表示構(gòu)造重建預(yù)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(jié)構(gòu)（Braszus et al., 2021）

圖3地幔過渡帶底部礦物相變邊界與地震學(xué)模擬結(jié)果

(a) 預(yù)測的礦物相變邊界與觀測到的 660 km 界面深度統(tǒng)計(jì)（統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格見圖 2b）。藍(lán)色和橙色虛線分別表示熱動力學(xué)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(jié)果顯示，在該區(qū)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(shù)模擬結(jié)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(dǎo) 660 km 界面，導(dǎo)致其在成像中表現(xiàn)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(tǒng)“堆積洋殼”模型所預(yù)測那樣出現(xiàn)在板片前緣，而是位于俯沖板片及其后方區(qū)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(zhì)巖漿可能在洋中脊附近凍結(jié)并嵌入巖石圈(Sim et al., 2024)，隨后隨板塊一同俯沖進(jìn)入地幔過渡帶，導(dǎo)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(dāng)俯沖板塊中存在大量玄武巖異常時(shí)，其繼續(xù)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(jìn)一步促進(jìn)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(diǎn)地區(qū)有所報(bào)道，而此次在相對較冷的俯沖帶首次觀測到該機(jī)制，具有重要意義。研究結(jié)果表明，由洋中脊活動或其他構(gòu)造過程引發(fā)的大洋巖石圈內(nèi)部成分不均一性，能夠在板塊深俯沖過程中持續(xù)發(fā)揮影響，不僅影響了地幔過渡帶的成分結(jié)構(gòu)，也深刻影響了俯沖板塊的深部運(yùn)移過程。

研究成果2025年4月9日在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)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(xué)基金項(xiàng)目（42488201，92355001 and 42030308）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）（XDB0710000）等聯(lián)合資助。

編輯：劉強(qiáng)