中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院、地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉勇勝教授引領(lǐng)的“殼幔交換動(dòng)力學(xué)”團(tuán)隊(duì)及其國(guó)內(nèi)外合作者在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然—地球科學(xué)》(Nature Geoscience)發(fā)表了題為“Widespread two-layered melt structure in the asthenosphere”(廣泛的軟流圈熔體分層結(jié)構(gòu))的學(xué)術(shù)論文。

該研究建立了玄武巖重稀土元素分異對(duì)地幔熔融深度的響應(yīng)機(jī)制，揭示了上地幔軟流圈熔體分層結(jié)構(gòu)在全球范圍內(nèi)廣泛分布，為我們理解地球內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制以及深部動(dòng)力學(xué)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(gòu)造是地球區(qū)別于太陽系其他類地行星的獨(dú)特標(biāo)志，不僅塑造了地球的地表形態(tài)， 還促進(jìn)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(dǎo)致。最新地震層析成像與礦物物理實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造板塊的運(yùn)動(dòng)速度與軟流圈熔體比例直接相關(guān)：軟流圈中少量熔體的出現(xiàn)可降低其粘滯系數(shù)，提高構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)速度，并促進(jìn)軟流圈中大尺度晶體定向排列。因此，軟流圈是構(gòu)建經(jīng)典板塊構(gòu)造理論的主要組成部分，理解軟流圈的結(jié)構(gòu)及其成因機(jī)制對(duì)人們深刻認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部物質(zhì)-能量交換、地震波速各向異性和構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力等地球動(dòng)力學(xué)過程具有重要意義。

洋島玄武巖(OIB)和洋脊玄武巖(MORB)被認(rèn)為是地幔物質(zhì)在淺部上地幔深度發(fā)生部分熔融的產(chǎn)物，是探索軟流圈結(jié)構(gòu)與物理-化學(xué)性質(zhì)的重要探針。地幔部分熔融對(duì)上地幔的物理-化學(xué)性質(zhì)(如，密度、粘度、電導(dǎo)率、地震波速等)以及地球動(dòng)力學(xué)過程(如，地幔對(duì)流和構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng))具有重要影響，也與軟流圈的形成密切相關(guān)，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(xué)領(lǐng)域的重要科學(xué)問題之一。幔源熔體成分會(huì)隨著地幔熔融深度的不同而系統(tǒng)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的定量計(jì)算地幔熔融深度的地球化學(xué)指標(biāo)，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(qiáng)烈的壓力依賴性，但隨壓力增加表現(xiàn)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。該研究團(tuán)隊(duì)通過收集整理全球年輕火山巖地區(qū)已有的地球物理-地球化學(xué)資料，發(fā)現(xiàn)大陸/大洋玄武巖Y/Yb比值和相關(guān)地區(qū)的巖石圈-軟流圈邊界(LAB)或地震低速異常帶(LVZ)深度數(shù)據(jù)之間具有明顯的正相關(guān)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(jiǎn)單壓力計(jì)[深度(km) = 7.933 × Y/Yb – 15.987; 圖1]。

圖1. 全球大陸/大洋年輕火山巖地區(qū)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(guān)性。

通過對(duì)全球玄武巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)造板塊噴發(fā)的大洋/大陸玄武巖Y/Yb比值具有雙峰式分布特征，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)不同起源深度的軟流圈熔體也對(duì)應(yīng)了截然不同的熔體物理-化學(xué)性質(zhì)，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(dòng)性低)，而鐵對(duì)深源熔體在軟流圈140–165 km深度的穩(wěn)定性可能扮演了極其關(guān)鍵的角色。高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，熔體活動(dòng)性(Δρ/η—衡量熔體穩(wěn)定與遷移能力的重要參數(shù))在110–140km壓力范圍內(nèi)最強(qiáng)(相應(yīng)深度熔體向上遷移)，導(dǎo)致軟流圈110–140 km深度處幾乎沒有熔體出現(xiàn)，這一過程可能是軟流圈熔體分層結(jié)構(gòu)形成的重要機(jī)制(圖2)。

圖2. 軟流圈熔體分層結(jié)構(gòu)模型. (a-b)巖石圈減薄與軟流圈熔體分層結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制. (c)軟流圈熔體分層與雙剪切波低速帶。

圖3. 不同構(gòu)造板塊25個(gè)地區(qū)的大洋/大陸玄武巖具有類似的雙峰式Y(jié)/Yb比值. 軟流圈熔體分層結(jié)構(gòu) (80–110 km vs. 140–165 km) 在全球范圍內(nèi)廣泛分布。

軟流圈熔體起源深度揭示出全球范圍內(nèi)軟流圈中廣泛存在雙層熔體結(jié)構(gòu), 主要形成于巖石圈較薄的構(gòu)造板塊之下，如快速擴(kuò)張的太平洋板塊、大陸邊緣、大陸裂谷和裂解的微陸塊，這對(duì)我們理解地球內(nèi)部的側(cè)向地幔對(duì)流、板塊漂移和克拉通/超大陸裂解具有重要指示意義。

該項(xiàng)研究成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金委(42173051與42050201)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFA0708400)和地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特別資助項(xiàng)目(MSFGPMR01)等的聯(lián)合資助。