新聞動態(tài)劉亮等-NC: 地幔內(nèi)殘余塊體對地幔上涌的透鏡式聚焦
“松遼沉積為何這么厚”、“南海洋底為何那么深”是徐義剛院士在2018-19年間給團(tuán)隊成員列出的兩道、又像是同一道難題。一般認(rèn)為，在巖石圈伸展結(jié)束后的熱沉降階段，裂谷盆地仍然會維持一種緩慢、平滑且相對持續(xù)的沉降過程；若沒有后續(xù)伸展、擠壓等巖石圈改造作用的疊加，盆地基底的深度會無限趨近于某一固定值。然而，在諸如松遼盆地、渤海灣盆地、中國南海等研究區(qū)，基底似乎在巖石圈應(yīng)力趨于中性后又經(jīng)歷了至少一期的加速沉降，致使基底深度（沉積物厚度）遠(yuǎn)大于基于拉伸量的理論預(yù)測值。前人研究表明，在巖石圈層位的動力學(xué)演化過程（如：周緣俯沖、區(qū)域伸展、巖漿底侵、地殼流等）很難解釋此類出現(xiàn)在較薄陸緣巖石圈之上狹長區(qū)域內(nèi)的“異?！背两惮F(xiàn)象。
圖1.?典型研究區(qū)的地幔波速結(jié)構(gòu)。（a）圖d的切面位置圖。（b）圖f的切面位置圖。（c）圖g的切面位置圖。（d）東北亞地幔波速結(jié)構(gòu)切面。（e）東北亞750公里深處的平均波速結(jié)構(gòu)。（f）黃石-斯內(nèi)克河平原下方的地幔波速結(jié)構(gòu)切面。（g）中國南海下方的地幔波速結(jié)構(gòu)切面。
針對以上特殊地質(zhì)現(xiàn)象，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士團(tuán)隊經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在典型研究區(qū)正下方的深部地幔內(nèi)，都（曾）存在有疑似的下地幔上涌（地幔柱？）與地震波高速體共存的現(xiàn)象（此類高波速結(jié)構(gòu)可能代表了俯沖板塊或拆沉巖石圈塊體，在此統(tǒng)稱為“殘余塊體”）（圖1）；團(tuán)隊成員進(jìn)而嘗試提出了深部地幔上涌與殘余塊體相互作用導(dǎo)致淺表異常沉降—這一“反常規(guī)”的研究假設(shè)，并聯(lián)合中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所劉麗軍研究員團(tuán)隊、巴塞羅那海洋科學(xué)研究所的Jason P. Morgan教授，基于正演數(shù)值模擬與多學(xué)科觀測聯(lián)合約束的思路開展了系列的探索性研究工作。
團(tuán)隊模擬結(jié)果顯示，當(dāng)660公里深處相變密度跳變?≥7% 且相變克拉貝龍斜率>-2.8 MPa/K時，在上涌物質(zhì)到達(dá)巖石圈底部之前，地表容易出現(xiàn)幾十米至八百米深不等、1000-2000公里寬的沉降區(qū)（圖2b）。但是，該沉降區(qū)卻難以長久維持，當(dāng)上涌物質(zhì)到達(dá)巖石圈底部后，地形會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、甚至恢復(fù)到沉降前的狀態(tài)（圖2c）。地表的沉降幅度，會因為地幔上涌途中接近正在下沉的殘余塊體而加強(qiáng)至公里級，但沉降中心的寬度卻會顯著縮小至200公里左右（圖2d-2f）。在這類模型中，當(dāng)上涌物質(zhì)到達(dá)巖石圈底部后，只會導(dǎo)致沉降區(qū)一側(cè)的地形發(fā)生反轉(zhuǎn)，未受到上涌托舉影響的另一側(cè)巖石圈，則可以最終保留公里級的低洼地形（圖2f）。因此，下沉殘余塊體會像“放大鏡”一樣，把深部地幔上涌（柱）對地形的影響放大并聚焦到相對有限的區(qū)域，導(dǎo)致狹長帶內(nèi)出現(xiàn)可維持的地表沉降，研究團(tuán)隊將該現(xiàn)象稱為殘余塊體對地幔上涌的透鏡式聚焦效應(yīng)。
圖2. 代表性數(shù)值模型結(jié)果。（a）-（c）僅地幔上涌的模型。（e）-（f）地幔上涌與沉降殘余塊體共存的模型。團(tuán)隊測試過的其他動力學(xué)演化過程見文章正文。
該研究還表明，在缺乏決定性地質(zhì)學(xué)或地球物理學(xué)證據(jù)的研究區(qū)，下地幔低波速結(jié)構(gòu)、上地幔高波速結(jié)構(gòu)與淺表狹長地帶內(nèi)異常沉降現(xiàn)象的共存，可能為指示深部地幔存在有快速的物質(zhì)上涌或正在形成的地幔柱提供判別依據(jù)（圖3）。此外，該研究工作所側(cè)重的，地球內(nèi)部在表生系統(tǒng)中作用的研究理念，在我國正逐漸得到重視。約10年前啟動的中國科學(xué)院先導(dǎo)專項“地球內(nèi)部運行機(jī)制與地表系統(tǒng)演化”，與在2024年啟動的國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃“地球宜居性的深部驅(qū)動機(jī)制”均是在這個方向的有益探索。
圖3. 殘余塊體對深部地幔（柱）上涌的透鏡式聚焦效應(yīng)示意圖。
????本項工作發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications，受到國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃（92479001）、基礎(chǔ)科學(xué)中心項目（42288201）、國家重點研發(fā)計劃—常規(guī)項目（2024YFF0808200）和青年科學(xué)家項目（2024YFF0809600）的聯(lián)合資助。
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論文信息：
Liu, L.*（劉亮），Cao,?Z.（曹澤斌），Morgan,?J.P.，Hua, Y-Y（華遠(yuǎn)遠(yuǎn)），Liu,?L.J.*（劉麗軍），Yang, F. （楊帆），Long, S.M.（龍時邁），Xu, Y.G.（徐義剛），2025, Nature Communications,?16, 7603.?
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62987-1
