我国学者与海外合作者在软流圈熔体分层结构方面取得新进展

　　

图 软流圈熔体分层结构模型。

(a-b)岩石圈减薄与软流圈熔体分层结构及其形成机制；(c)软流圈熔体分层与双剪切波低速带

　　板块构造是地球区别于太阳系其他类地行星的独特标志，对地球演化和地表宜居性的形成具有重要影响。软流圈是位于刚性岩石圈之下的塑性圈层，具有异常低的地震剪切波速，且与构造板块的运动速度密切相关，是构建经典板块构造理论的主要组成部分。因此，理解软流圈的结构及其成因机制对深刻认识地球内部物质-能量交换、地震波速各向异性和构造板块运动驱动力等地球动力学过程具有重要意义。

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42173051、42050201）等资助下，中国地质大学（武汉）刘勇胜教授团队及其国际合作者在软流圈熔体分层结构方面取得新进展。研究成果以“广泛分布的软流圈熔体分层结构（Widespread two-layered melt structure in the asthenosphere）”为题，于2024年5月3日发表在《自然·地球科学》（Nature Geoscience）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-024-01433-1。

　　地幔部分熔融对上地幔的物理-化学性质（密度、粘度、电导率、地震波速等）以及地球动力学过程（地幔对流和构造板块运动）具有重要影响，也与软流圈的形成密切相关。了解幔源熔体形成的温度和压力条件是地球科学领域的重要科学问题之一。幔源熔体成分会随着地幔熔融深度的不同而发生系统变化，但目前很少有可靠的定量约束。

　　研究团队通过计算玄武岩钇（Y）与镱（Yb）比值（Y/Yb），建立了新的定量计算地幔熔融深度的地球化学指标。通过收集整理全球年轻火山岩地区已有的地球物理-地球化学资料，发现大陆/大洋玄武岩Y/Yb比值和相关地区的岩石圈-软流圈边界或地震低速异常带深度数据之间具有明显的正相关性，由此建立了基于玄武岩Y/Yb比值估算地幔熔融深度的简单压力计：深度（km）= 7.933 * Y/Yb - 15.987。

　　通过对全球玄武岩地球化学数据的统计分析发现，不同构造板块喷发的大洋/大陆玄武岩Y/Yb比值具有双峰式分布特征(低Y/Yb vs. 高Y/Yb)，对应了两种不同起源深度的软流圈熔体（浅源熔体80–110 km vs. 深源熔体140-165 km），这也与地球物理观察到的双剪切波低速带深度大致对应（图）。此外，该研究团队还发现，不同起源深度的软流圈熔体也对应了截然不同的熔体物理-化学性质，浅源熔体为富硅熔体（密度低），深源熔体为贫硅富铁熔体（密度高、粘度低以及熔体活动性低）；而铁可能在深源熔体稳定性中扮演了极其关键的角色。高温高压实验结果也显示，熔体活动性在110-140 km压力范围内最强（相应深度熔体向上迁移汇聚到岩石圈-软流圈边界附近），导致软流圈该深度处几乎没有熔体出现，这一过程可能是软流圈熔体分层结构形成的重要机制（图）。

　　软流圈熔体起源深度揭示出全球范围内软流圈中广泛存在双层熔体结构，主要形成于岩石圈较薄的构造板块之下，如快速扩张的太平洋板块、大陆边缘、大陆裂谷和裂解的微陆块，这对我们理解地球内部的侧向地幔对流、板块漂移和克拉通/超大陆裂解具有重要指示意义。