諶永強 | 楊建鋒等-自然通訊:下地幔頂部俯沖板片停滯的動力學新機制

俯沖板片是連接地球表層與深部物質和能量交換的關鍵紐帶，其在地幔的俯沖過程深刻影響著地球內部物質循環與熱演化。長期以來，科學家發現俯沖板片在地幔過渡帶底部（約660公里深度）發生停滯，這與該深度的礦物相變密切相關。然而，地震學觀測發現一個令人費解的現象：全球多個俯沖帶的板片在更深處的約1000公里深度同樣發生明顯滯留（圖1），而該深度并無已知的礦物相變界面。這種俯沖板片在中地幔深處的滯留，成為困擾地球深部動力學的難題。

以往，解釋這一現象的主流假說主要歸因于下地幔的異常成分或流變結構。一種觀點認為，下地幔可能富含硅質組分（如再循環玄武巖），其密度遠高于周圍地幔，使俯沖板片因浮力難以穿透(Ballmer et al., 2015)。另一種觀點則提出中地幔的粘度跳變(如Rudolph et al., 2015; Fei et al., 2023)，即在800–1200公里深度粘度增加或減少一個量級左右。然而，這些機制解釋或與某些觀測不符，或仍存在爭議，中地幔的停滯依然未有定論。

圖1 俯沖板片在下地幔頂部停滯的地球物理觀測。(a) 1000 km深度切面；（b）典型俯沖帶的橫剖面

針對這一問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化與環境演變全國重點實驗室諶永強博士后與導師楊建鋒特聘研究員、趙亮研究員，從俯沖板片角度出發，結合礦物相變動力學和數值模擬方法，對板片在下地幔頂部的停滯機制展開研究。研究提出了一個新的動力學機制：石榴子石相變的緩慢反應速率是導致板片在1000公里深度停滯的關鍵。這一機制不需借助下地幔的化學異�；虼蠓扯忍�，在普遍接受的“地幔巖”成分下可重現全球尺度的板片停滯現象。

研究通過二維動力學模擬，在板塊尺度的模型中耦合石榴子石相變的反應動力學(kinetic reaction of garnet→bridgmanite)。平衡條件下，石榴子石在約720–760公里深度發生分解，形成布里奇曼石。然而，高壓實驗表明，這種分解在低溫的俯沖板片內部極為緩慢，這導致低密度的“亞穩態”石榴子石能保存至950公里深度（圖2）。研究將實驗測得的轉化速率、石榴子石晶粒尺寸及溫度依賴關系耦合至熱力學數值模型中，系統地量化了這種延遲相變的效應。

圖2 石榴子石相變延遲的示意圖及參數化。（a）石榴子石平衡相變以及延遲相變的溫度壓力區間；（b）殘存石榴子石導致板片停滯的示意圖；（c）石榴子石相變延遲的參數化；（d）石榴子石相變延遲對洋殼密度結構的影響

模擬結果驗證了石榴子石延遲相變控制下的板片停滯（圖3），同時發現該機制影響下，板片停滯是暫時性的。隨著深部溫度、壓力逐步升高，石榴子石最終會完成轉化，板片再次獲得足夠的負浮力并穿透進入下地幔深處。停滯的時間約為25–80個百萬年，與全球地震層析成像所揭示的板片暫時滯留特征相吻合 （圖4） 。模型進一步考慮了石榴子石顆粒大小、含量以及板片俯沖板片進入下地幔的角度等因素的影響，構建了不同參數影響下的俯沖板片行為，發現大顆粒、高石榴子石含量以及中等的俯沖角度更有利于俯沖板片在下地幔頂部的停滯。這與全球實際觀測表現出高度一致性，比如陡傾角的馬里亞納、科科斯板片可直接俯沖，而中傾角的巽他、堪察加板片則在中地幔深度停滯。

圖3 數值模擬結果。（a–c）石榴子石瞬時相變的模型演化結果；（d–f）石榴子石延遲相變的模型演化結果

圖4 模型與實際觀測比對。（a）俯沖板片進入下地幔角度影響板片停滯行為；（b）板片俯沖年齡與深度的關系顯示板片停滯的暫時性。綠色、白色圓圈以及灰色實線為觀測結果，彩色實線為模型結果

針對前人提出的粘度跳變機制，該研究也做了進一步檢驗。結果顯示，即使人為地在1000公里設置一個量級的粘度升高，當考慮俯沖板塊附近高應力區由“純攀移蠕變(pure climb creep)”主導的變形時，周圍地幔的有效粘度會因位錯變形而下降，不足以構成阻擋。這說明單純的粘度變化難以作為停滯的主導機制。

這一研究將微觀的石榴子石相變動力學過程與動力學數值模型結合，提出石榴子石的延遲相變過程可能是俯沖板片在下地幔頂部停滯的主要原因，為這一長期未解的現象提供了全新的解釋。這對理解下地幔俯沖動力學、全地幔物質循環以及高溫高壓礦物相變等多個領域均具有重要的科學意義。未來亟需在高溫高壓下水對相變反應速率的影響、從實驗室尺度向地質時間尺度外推、下地幔精細流變結構特征及成分結構等方面開展更深入的工作。

研究成果發表于國際學術期刊自然通訊（諶永強，楊建鋒*，趙亮. Sluggish post-garnet transformation controls slab stagnation at the uppermost lower mantle[J]. 自然通訊, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-72495-5.）。研究受國家自然科學基金基礎科學中心項目(42488201)及多圈層相互作用的油氣富集理論項目資助。