地大新聞網訊 5月3日，我校地球科學學院、地質過程與礦產資源國家重點實驗室劉勇勝教授引領的“殼幔交換動力學”團隊，與國內外合作者，在國際著名期刊《自然—地球科學》(Nature Geoscience)發表了題為《Widespread two-layered melt structure in the asthenosphere》(廣泛的軟流圈熔體分層結構)的學術論文，建立了玄武巖重稀土元素分異對地幔熔融深度的響應機制，揭示了上地幔軟流圈熔體分層結構在全球范圍內廣泛分布，為理解地球內部的運行機制以及深部動力學過程提供了新的視野。論文通訊作者為劉勇勝教授，論文第一作者為張軍波博士。
板塊構造是地球區別于太陽系其他類地行星的獨特標志，不僅塑造了地球的地表形態，還促進了地球宜居性的演變。軟流圈是位于剛性巖石圈之下的塑性圈層，具有異常低的地震剪切波速，普遍解釋是由地幔部分熔融所導致。最新地震層析成像與礦物物理實驗研究發現，構造板塊的運動速度與軟流圈熔體比例直接相關：軟流圈中少量熔體的出現可降低其粘滯系數，提高構造板塊運動速度，并促進軟流圈中大尺度晶體定向排列。因此，軟流圈是構建經典板塊構造理論的主要組成部分，理解軟流圈的結構及其成因機制對人們深刻認識地球內部物質—能量交換、地震波速各向異性和構造板塊運動驅動力等地球動力學過程具有重要意義。
洋島玄武巖(OIB)和洋脊玄武巖(MORB)被認為是地幔物質在淺部上地幔深度發生部分熔融的產物，是探索軟流圈結構與物理—化學性質的重要探針。地幔部分熔融對上地幔的物理—化學性質(如密度、粘度、電導率、地震波速等)以及地球動力學過程(如地幔對流和構造板塊運動)具有重要影響，也與軟流圈的形成密切相關，因此了解幔源熔體形成的溫度和壓力條件，一直是地球科學領域的重要科學問題之一。幔源熔體成分會隨著地幔熔融深度的不同而系統地變化，但目前很少有可靠的定量約束。
為了更好地了解地球內部的結構和運行方式，該研究團隊開發了一種新的定量計算地幔熔融深度的地球化學指標，即玄武巖Y/Yb比值。釔(Y)與鐿(Yb) 在上地幔深度主要賦存在石榴石和單斜輝石(地球上地幔重要的造巖礦物)中，這兩種元素在石榴石和單斜輝石中的相容性具有強烈的壓力依賴性，但隨壓力增加表現出差異性變化，因此玄武巖Y/Yb比值可以指示含石榴石和單斜輝石地幔部分熔融的深度。
圖1 全球大陸/大洋年輕火山巖地區玄武巖Y/Yb比值與巖石圈-軟流圈邊界(lithosphere-asthenosphere boundary, LAB)或地震低速帶(low-velocity zone, LVZ)深度之間的相關性
該研究團隊通過收集整理全球年輕火山巖地區已有的地球物理—地球化學資料，發現大陸/大洋玄武巖Y/Yb比值和相關地區的巖石圈—軟流圈邊界(LAB)或地震低速異常帶(LVZ)深度數據之間具有明顯的正相關性，由此建立了基于玄武巖Y/Yb比值估算地幔熔融深度的簡單壓力計[深度(km) = 7.933 ′ Y/Yb – 15.987; 圖1]。
圖2 軟流圈熔體分層結構模型 (a-b)巖石圈減薄與軟流圈熔體分層結構及其形成機制 (c)軟流圈熔體分層與雙剪切波低速帶
圖3 不同構造板塊25個地區的大洋/大陸玄武巖具有類似的雙峰式Y/Yb比值. 軟流圈熔體分層結構 (80–110 km vs. 140–165 km) 在全球范圍內廣泛分布.
通過對全球玄武巖地球化學數據的統計分析發現，不同構造板塊噴發的大洋/大陸玄武巖Y/Yb比值具有雙峰式分布特征，對應了兩種不同來源深度的軟流圈熔體(80–110 km vs. 140–165 km)，這也大致對應于地球物理觀察到的雙剪切波低速帶深度 (圖2和圖3)。此外，該研究團隊還發現不同起源深度的軟流圈熔體也對應了截然不同的熔體物理—化學性質，淺源熔體(80–110 km)為富硅熔體(密度低)，深源熔體(140–165 km)為貧硅富鐵熔體(密度高、粘度低以及熔體活動性低)，而鐵對深源熔體在軟流圈140–165 km深度的穩定性可能扮演了極其關鍵的角色。高溫高壓實驗結果也顯示，熔體活動性(Δρ/η—衡量熔體穩定與遷移能力的重要參數)在110–140km壓力范圍內最強(相應深度熔體向上遷移)，導致軟流圈110–140 km深度處幾乎沒有熔體出現，這一過程可能是軟流圈熔體分層結構形成的重要機制(圖2)。
軟流圈熔體起源深度揭示出全球范圍內軟流圈中廣泛存在雙層熔體結構, 主要形成于巖石圈較薄的構造板塊之下，如快速擴張的太平洋板塊、大陸邊緣、大陸裂谷和裂解的微陸塊，這對我們理解地球內部的側向地幔對流、板塊漂移和克拉通/超大陸裂解具有重要指示意義。
該項研究成果受到國家自然科學基金委(42173051與42050201)、科技部國家重點研發計劃項目(2019YFA0708400)和地質過程與礦產資源國家重點實驗室特別資助項目(MSFGPMR01)等的聯合資助。該成果作為研究亮點被加州大學圣迭戈分校Emily J. Chin教授在《自然—地球科學》的“News & Views”專欄撰寫了正面評述。（來源 地質過程與礦產資源國家重點實驗室 編輯 孫彥欽 審稿 陳華文）
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-024-01433-1
鄂公網安備 42011102004169號
