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中美科学家联手破解了地幔过渡带板块滞留成因机制的重大地质谜题
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中美科学家联手破解了地幔过渡带板块滞留成因机制的重大地质谜题 图片 俯冲的洋壳板块为何会滞留在地幔过渡带是一个困扰地学界长达数十年之久的重大地质谜题。上世纪80年代，有学者提出，是低温诱导后尖晶石相变延迟，导致板块浮力增加、暂时滞留。但这个说法有两个矛盾：一是相变无法提供支撑板块滞留所需的足够浮力；二是难以解释全球范围内部分俯冲板片可直接穿透660km界面进入下地幔的观测事实。近年新发现秋本石向布里奇曼石、石榴子石向布里奇曼石的两种转变，它们对温度和压力的反应更敏感，可能才是真正的“刹车”机制。但真相仍不明朗——板块滞留也可能跟铝含量、水、下地幔变黏稠，或者板块自身后退有关。各种解释都在争辩，至今没有定论。 为了攻克这一难题，中国地质科学院史大年研究员联合国际著名的地震学家Shen Yang教授以及国内其他单位的地震和岩石物理学方面的研究专家，依托高精度地震成像技术，刻画了华北地幔过渡带俯冲板块滞留区的地幔精细结构特征，结合前沿岩石物理数值模拟方法，系统地厘清了俯冲板块长期滞留在华北地幔过渡带内的主要动力学机制。 1.在俯冲滞留区中心（约400公里范围），下方700公里处存在另外一个地震间断面，与无水的玄武质混杂岩中的秋本石-布里奇曼石相变特征完全一致，而外围区域并无此玄武质岩石富集现象，仍为普通地幔岩。 2.外围区域的相变界面出现约10公里异常下凹，由含水导致的后尖晶石相变延迟引起，该效应可贡献板块滞留所需浮力的97.5%；而无水条件下的相变仅能贡献27.5%，远不足以支撑板片的长期滞留。 3.中心区域无水玄武岩相变产生的浮力贡献很次要，下地幔黏滞性增加和板块后撤也无法解释数千万年的滞留，因此含水延迟才是主导原因。 本项目研究为洋壳板块在地幔过渡带内长期滞留提供了一套系统而又明确的解释，研究成果明确凸显了水作为关键调控因子，在未来高温高压岩石物理实验、全球地幔动力学数值模拟中作为重点参数进行考量的重要性，研究成果对于深入研究和理解板块俯冲及整个地幔物质(包括水)循环过程具有重要的科学意义。 图片 图1. 研究区及剖面位置。a）白线-接收函数剖面；三角形/白色矩形-地震台站；红色虚线-板块边界；圆圈-震中随深度分布；沙滩球-深源(≥500 km)地震震源机制；NC-华北; YZ-扬子; SC-华南。b）蓝/红区域-地幔过渡带内高/低速层分布。 图片 图2. 华北地幔过渡带板片滞留区接收函数成像剖面。紫色/青色曲线-正/负接收函数；红色/蓝色-层析成像低/高速异常；ri-林武德石; ak-秋本石; br-布里奇曼石。 图片 图3. 理论与实际观测到的震相深度(a)和不同玄武岩占比板片中的理论与实际观测到的接收函数振幅比(b)。橙色、绿色、蓝色和红色圆圈分别代表图2中 ’1’、 ’2’、 ’5’和’4’震相；ak-秋本石; br-布里奇曼石; ri-林武德石；fp-铁方镁石; gt-石榴子石; cr-刚玉。 图片 图4. 滞留板片(1000 K温度)与周围地幔(1560 K温度)的理论密度(ρ)与密度差(Δρ)。a) 俯冲板片中玄武质洋壳(绿色)和方辉橄榄岩型岩石圈地幔(蓝色)与地幔岩(红色)密度随深度的理论变化曲线; b)俯冲板片中洋壳和岩石圈地幔相对于周围地幔的理论密度差曲线。c–d) 不考虑和考虑了额外10 km相变延迟情形下，俯冲板片相对于周围地幔的理论密度差曲线，R 表示正浮力与负浮力的比值。e)周围地幔在额外25km相变延迟的情形下与正常地幔的理论密度差曲线。图中棕色与青色阴影区面积分别正比于向上(正)浮力和向下(负)浮力。ol -橄榄石；wa-瓦兹利石；ak-秋本石; br-布里奇曼石; ri-林武德石；fp-铁方镁石; gt-石榴子石。 该项研究由国家自然科学基金、华南重点研发项目和地质调查项目联合资助，美方人员获得了美国国家基金会的资助。研究成果已于近期发表于开放性学术期刊Nature communications，详情请访问下述网址：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75639-9 |
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