NC：滞留板片不均一性控制俯冲物质循环和板内火山分布

俯冲板片将冷的、富水且成分异常的物质输送至地球深部，造成地幔热化学不均一。地幔热化学不均一的形成、演化与再分配不仅影响大尺度地幔对流，也深刻制约地表火山活动。因此，追踪与俯冲板片相关的热化学异常，是理解地球内部物质循环与能量交换的关键。

大陆板内火山在全球范围内广泛发育，通常以弥散的火山群簇形式分布在俯冲板片之上。然而，由于这类火山难以用经典板块构造理论直接解释，且普遍缺乏与深部地幔柱相关联的证据，其形成机制尚不清楚。

中国东北地区发育了典型的新生代板内火山，主要形成两个群簇：一个沿南北重力梯度带分布，另一个以长白山火山为中心展布。新生代玄武岩源区记录的再循环组分表明，地幔过渡带内的太平洋滞留板片参与了这些火山的成因。然而，滞留板片如何影响地表火山活动存在长期争议。主要有两种解释模型：大地幔楔模型（Zhao et al., 2009）认为板片脱水诱发的湿热上升流导致了广泛的板内火山；板片窗模型（Tang et al., 2014）则认为滞留板片存在贯穿性窗口（Slab gap），下地幔热物质穿过窗口上涌进而驱动火山活动。检验上述模型的关键在于，确定太平洋滞留板片的几何形态，并定量约束板片周围的热化学状态（温度，组分和含水状态）。

为解决上述难题，中国科学院广州地球化学研究所邓阳凡研究团队利用中国东北地区的1206个宽频带地震台站记录到的远震事件波形，通过P波接收函数方法探测到了地幔过渡带中滞留板片的上、下界面信号（X1、X2; Wang et al., 2020）。结果显示（图1）板片界面信号局限于南北重力梯度带以东，且存在两个明显的信号缺失区。这两个信号缺失区下方的660-km间断面起伏与地震波速度特征截然不同，表明不同的动力学过程。为了进一步探索信号缺失区的原因，研究团队结合矿物物理计算以及热力学模拟，开发了热化学联合反演方法，利用410-km转换震相信息和速度模型定量约束了滞留板片上方的温度、玄武岩比例以及水含量；同时结合660-km间断面地形和多频接收函数分析，确定板片下方的温度和含水状态。

图1 滞留太平洋板片界面成像。（a）地震台站分布；（b）接收函数界面成像方法；（c）板片上界面转换震相 X1 的空间分布，棕色实线指示板片弯折带，绿色实线和粉红色分别圈出下地幔顶部的高速和低速异常体，红色椭圆为前人研究中的板片窗口位置；（d）沿L1剖面的接收函数与速度图像

在滞留板片弯折带西侧，研究团队探测到一个条带状的板片信号缺失区（图1），其空间位置与660-km的显著下沉条带、板片下方富水条带以及延伸至下地幔的高速异常体相重合。这些观测结果表明，板片在此处局部穿透至下地幔。研究团队认为，板片穿透可能源于板片弯折带附近的高应力条件以及海沟几何形态的变化。持续的变形导致了板片水滴状塌陷至下地幔，并伴随着俯冲洋壳的脱落，由此造成了地幔过渡带中板片信号的缺失，并解释了下地幔顶部观测到的高速异常体。这一冷的、富水且强烈变形的穿透板片改变了周围地幔的热化学状态，导致了660-km的显著下沉且异常富水，并控制了附近深源地震群簇的分布（图2）。

图2 热化学联合反演的地幔过渡带热化学结构。（a）矿物物理模拟预测的温度、玄武岩比例和水含量对地震学观测的影响；（b-c）反演的 MTZ 上部玄武岩比例（b）与水含量（c）分布。黑圈显示了板片上界面信号X1探测到的位置。绿色、红色和紫色实线圈出范围分别与板片穿透段（Penetration）、板片透镜体（Lens）和板片前缘（Edge）区域相对应；（d）板片上方地幔温度与洋中脊温度相近；（e）玄武岩比例和水含量的区域统计；（f）多频接收函数分析推断的660附近的含水状态；（g）滞留板片周围的热化学特征

在条带状板片穿透段的西侧，研究团队探测到另外一个板片信号缺失区（图1）。与板片穿透段不同，该信号缺失区位于局部抬升的660-km和下地幔低速异常体之上，并与前人研究所揭示的板块窗口位置一致，这些特征通常被解释为来源于下地幔的热上涌。然而，问题的关键在于：下地幔热上涌是否贯穿滞留板片？研究结果（图2）显示，该板片缺失区下方地幔相对干燥，这表明下地幔上涌属于干燥的、纯热过程。与之相反，在板片缺失区上方探测到异常富水，却未见明显温度异常。这种板片上、下方显著的热化学解耦现象表明，下地幔热上涌对板块上方的热量和物质通量的贡献极其有限，意味着滞留板片在物理上保持连续。研究团队因此认为该板片信号缺失区代表了板片结构上的薄弱区，这种不均一的板片结构可能源于板片挠曲产生的先存损伤带，随后受到下地幔热上涌的持续侵蚀而进一步弱化。板片界面的速度梯度因此降低，最终在接收函数图像表现为板片信号缺失区。研究团队将这一透镜状的板片薄弱结构称为板片透镜体（Slab lens），是板块变形和热侵蚀共同作用的产物，表现为地震学意义上的透明，但并非真正贯穿性的板片撕裂或窗口，即板片呈现出“撕而不裂”的状态。

研究进一步发现，滞留板片上方地幔的整体潜在温度约为1649 K，与正常地幔温度相近，但水和玄武岩组分却明显富集，水含量可达0.38 wt%，玄武岩比例接近0.4。这表明板片上方存在显著的俯冲物质向上输运，而非传统意义上的高温热上涌。俯冲物质通量最强的区域位于板片透镜体和滞留板片前缘附近，并与中国东北地区两个主要的新生代火山群簇在空间上相吻合。密度计算进一步表明，板片透镜体和板片前缘的富水、玄武岩富集组分相对于周围地幔具有正浮力，足以驱动俯冲物质向上再循环。因此，研究团队提出（图3），板片不均一结构引起了聚焦式俯冲物质再循环，并最终控制了中国东北地区新生代板内火山的成簇分布。不同于传统由高温异常驱动的热上涌机制，该模型强调的水驱动化学上涌机制，揭示了地幔化学不均一对大尺度地幔对流和板内火山活动的调节作用。

图3 滞留太平洋板块几何形态及大地幔楔内俯冲物质再循环机制的示意图

研究揭示的板片透镜体尽管在地震界面成像中“透明而不可见”，却可以驱动聚焦式的俯冲物质再循环，这种撕而不裂的板片结构可能在全球俯冲板片中广泛存在，从而控制着全球板内火山呈现弥散的群簇分布。

该研究通过基于矿物物理约束的合成波形模拟建立了地球物理观测和挥发份的定量关系，进一步结合热力学模拟开发了基于贝叶斯框架的热化学联合反演方法。通过联合接收函数界面成像和热化学分析，研究揭示了滞留太平洋板片的复杂几何形态，定量评估了其对周围地幔温度、组分和含水状态的影响，并提出了由板片不均一结构驱动俯冲物质再循环的新机制。相关成果对于理解俯冲板片与地幔过渡带相互作用、大地幔楔内的地幔对流模式以及挥发份循环具有重要意义。

主要参考文献

Tang Y, Obayashi M, Niu F, et al. Changbaishan volcanism in northeast China linked to subduction-induced mantle upwelling[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(6): 470-475.

Wang X, Chen Q F, Niu F, et al. Distinct slab interfaces imaged within the mantle transition zone[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(12): 822-827.

Zhao D, Tian Y, Lei J, et al. Seismic image and origin of the Changbai intraplate volcano in East Asia: Role of big mantle wedge above the stagnant Pacific slab[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2009, 173(3-4): 197-206.

Zhu Sheng, Deng Yangfan, Xu Yi-Gang, et al. Heterogeneous stagnant slab controls focused crustal recycling and volcanic clustering[J].Nature Communications, 2026. (原文链接)

（撰稿：朱晟、邓阳凡/广州地化所；王新/地球与行星物理学科中心）