俯冲带板片下方部分熔融体的起源与归宿：来自地幔过渡带水致熔融的新证据

针对俯冲带板片下方低速带(LVZs)的成因难题，研究人员通过地球动力学模拟揭示了地幔过渡带(MTZ)水致熔融上涌形成LAB(岩石圈-软流圈边界)熔融层的机制。该研究阐明了LVZs从410 km间断面向浅部延伸的动力学过程，为理解地幔物质循环和板块俯冲过程提供了新视角。

　　

在地球深部动力学研究中，俯冲带板片下方神秘的低速带(Low-Velocity Zones, LVZs)一直是未解之谜。这些厚度仅10-25 km的薄层通道，从岩石圈底部延伸至地幔过渡带(Mantle Transition Zone, MTZ)，表现出7-9%的S波速度下降和高导电性特征。传统理论难以解释为何在缺乏明显热源的情况下，这些熔融层能持续存在于数百公里深处。更令人困惑的是，全球多个俯冲带（如日本、卡斯卡迪亚、科科斯等）都观测到这种异常现象，暗示其背后可能存在普遍的地球动力学机制。

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境重点实验室联合意大利帕多瓦大学的研究团队，在《National Science Review》发表的研究给出了突破性答案。通过高精度地球动力学模拟，发现地幔过渡带含水物质上涌引发的脱水熔融是形成这些LVZs的关键。当俯冲板片扰动含水MTZ时，会产生上升流并在410 km间断面附近形成部分熔融层，这些熔体随后被输送到岩石圈底部形成观测到的薄层低速带。该机制不仅解释了LVZs的全球分布特征，还揭示了地幔物质从过渡带向浅部循环的新途径。

研究采用I2VIS热力学-岩石学-力学耦合数值模拟代码，构建二维俯冲模型。关键技术包括：1) 设定MTZ局部含水区(0.3 wt%水含量)作为熔体源区；2) 改进压力依赖性熔体性质参数化；3) 采用250年熔体提取时间尺度平衡熔体残留与抽取过程；4) 合成S波速度异常场（考虑10°二面角熔体几何形态）。模型验证了日本 petit-spot火山等实地观测数据。

【水致上涌形成LAB熔融层】

模拟显示当含水MTZ物质被俯冲板片带上涌至410 km间断面时，因水降低固相线温度产生1.5-2.5%部分熔融。这些熔体通过瑞利-泰勒不稳定性上升，在岩石圈底部形成25-55 km厚的熔融层。随着板块运动，熔融层被剪切变薄至10-20 km，与地震观测的LVZs厚度高度吻合。合成S波速度异常显示4-7%的下降幅度，与日本、卡斯卡迪亚等地的实测数据一致。

【熔融层随俯冲板片再循环】

研究发现这些浅部熔融层会被俯冲板片拖拽返回MTZ深度。当初始含水区半径>120 km且水含量>0.2 wt%时，可形成持续稳定的熔融通道。这种"上涌-熔融-再循环"过程构成了完整的地幔物质循环路径，解决了传统过渡带水滤模型(Transition Zone Water Filter)缺乏水回收机制的缺陷。

【非热成因的熔融证据】

通过热力学计算排除了高温或玄武岩堆积的解释：1) 产生4% Vs下降需要>400 K的异常高温，远超地幔柱温度范围；2) 玄武岩堆积仅能造成<2%波速下降。水致熔融是唯一能同时解释地震波速异常、高导电性和地球化学特征（如日本 petit-spot火山岩特殊微量元素组成）的机制。

【全球构造意义】

该研究建立了俯冲带动力学与MTZ水循环的直接联系：1) 解释了非板块边缘（如阿尔卑斯、帕米尔碰撞带）的LVZs成因；2) 揭示了地幔过渡带作为"水仓库"在调节全球构造中的核心作用；3) 表明即使微量（1-3%）熔体也能显著降低粘度，影响板块运动学。模型预测这种机制在初始含水半径≥1000 km时将产生区域性异常，与全球层析成像发现的大尺度低速区相符。

这项研究突破了传统板块理论框架，提出俯冲过程不仅能将水带入深部，还能通过诱导含水物质上涌在浅部形成熔融层。这种双向物质交换机制为理解地球深部水循环、非火山带岩浆活动及板块驱动力来源提供了全新视角。特别是发现LVZs的普遍存在可能反映全球地幔过渡带广泛含水的重要证据，对认识地球内部物质和能量交换具有深远意义。