分支型地幔柱熔融与地形-岩浆响应获揭示

近日，中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所研究员徐义刚团队与中国科学技术大学、西班牙高等科研理事会海洋科学研究所的合作者，通过系统二维数值模拟，揭示了分支型地幔柱的产生条件及其浅表地形与岩浆响应，并阐明了含水地幔柱上升过程中的多层位熔融与水分演化。相关成果发表于《地球与行星科学通讯》。

地幔柱所产生的熔融和地形响应示意图。研究团队供图 地幔柱可能起源于大型低波速省，深部具宽大结构，但在约800-1200公里深度可能变细或偏折；上升至地幔过渡带下方时，受约660公里相变影响可发育多个小型分支，即分支型地幔柱。其地表构造与岩浆响应尚不清楚，起源于深下地幔的含水地幔柱数值模拟也缺乏。 研究识别出经典柱状、单分支型、多分支型和滞留型四种上涌形态。结果表明，660公里相变处较大的负克拉佩龙斜率和密度跳变有利于形成多分支型地幔柱。分支型地幔柱可在660公里以下滞留较长时间，形成宽逾1500公里的“薄饼状”结构，随后发育多个相对独立的小型分支；单个分支可远离深部初始上涌中心，分支间距可大于500公里。每个分支独立产生地表抬升，最终形成整体范围可与柱状地幔柱相当、但隆起幅度较小（峰值约370-800米）、空间分散的多峰式地形。 熔融方面，经典柱状和分支型地幔柱均出现多期熔融。柱状地幔柱到达岩石圈底部最初约2百万年内产生约1000公里宽的广泛熔融，随后集中至上涌中心周围约200公里范围；约10-15百万年后可再次出现大范围熔融。分支型地幔柱单个分支到达岩石圈底部最初约2-5百万年，引起周围约200-500公里区域熔融，随即中止，间隔约3-5百万年后再现。 研究认为，幕式熔融受熔融残余物堆积与再分布控制：残余物因温度降低、含水量降低而粘度升高，堆积在岩石圈底部导致局部加厚，产生“盖层效应”阻止进一步熔融；持续上涌将残余物推挤变薄后，熔融重新发生。该机制为理解板内岩浆活动的短暂性或间歇性提供了新的动力学解释。 研究还系统测试了水的影响。水可改变上涌模式、引起更高地表抬升，并使熔融模式复杂化。采用含水辉石岩固相线的模型中，柱状和分支型地幔柱均出现4层熔融，分别位于约70、110、260和400公里深处，与地震学报道的低波速带深度范围具有对应关系。多层熔融还可解释洋岛玄武岩源区含水量远低于地幔柱深下地幔理论值的问题：水在熔融中强不相容，上地幔底部熔融会使地幔柱物质快速脱水。 研究指出，分支型地幔柱可引起多峰、较不显著的地形起伏，伴随空间零散、时间上具周期性的岩浆活动，且其下地幔过渡带以下可存在大规模滞留的低波速结构，以上特征可为识别自然界可能存在的分支型地幔柱提供了新思路。