新聞動態(tài)黃永勝等-SA：揮發(fā)分驅(qū)動碳酸鹽熔體作為“超潤濕劑”導(dǎo)致上地幔低速層形成
研究速覽：2026年2月25日，《Science Advances》發(fā)表了一項高溫高壓實驗研究，首次證實含揮發(fā)分（如水、鹽分）的碳酸鹽熔體在上地幔條件下可充當(dāng)“超潤濕劑”，完全包裹橄欖石顆粒。即便熔體含量極低（0.02–0.08 vol%），也能形成全連通滲透網(wǎng)絡(luò)，從而合理解釋全球范圍內(nèi)觀測到的高電導(dǎo)率與低地震波速異常層（低速層，LVL）的成因。該研究由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所黃永勝副研究員聯(lián)合國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)共同完成，為深入理解地球深部碳循環(huán)與物質(zhì)遷移提供了關(guān)鍵依據(jù)。
????地球物理觀測顯示，上地幔底部（約410 km不連續(xù)面之上）普遍存在地震波速降低、電導(dǎo)率升高的區(qū)域，指示該處可能存在連通性良好的熔體。前人研究推測這極有可能是源自俯沖板片的碳酸鹽熔體，但傳統(tǒng)實驗研究顯示，橄欖石與無水碳酸鹽熔體間接觸角較大，需較高熔體分?jǐn)?shù)（> 2 vol%）方能形成連通網(wǎng)絡(luò)，與地球物理反演所得的極低熔體含量不符。這一矛盾使得“何種熔體能夠以極微量引發(fā)大尺度地球物理異常”成為長期未解的科學(xué)問題。
圖2. 實驗結(jié)果：揮發(fā)分對橄欖石-碳酸鹽熔體間二面角的影響。
（A）橄欖石中相對孤立分布的（不含揮發(fā)分）碳酸鹽熔體；（B）橄欖石中完全連通的含揮發(fā)分碳酸鹽熔體網(wǎng)絡(luò)；（C-D）揮發(fā)分的加入使得橄欖石–碳酸鹽熔體間二面角迅速下降為0°。Ol代表橄欖石。
????為破解這一矛盾，黃永勝研究團(tuán)隊模擬了1–13 GPa（對應(yīng)深度約30–390 km）及1100–1400 °C的上地幔條件，系統(tǒng)探究了水（H2O）、氯化鈉（NaCl）等揮發(fā)分對橄欖石–碳酸鹽熔體體系潤濕行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)：揮發(fā)分觸發(fā)“超潤濕”效應(yīng)：在無水體系中，橄欖石–熔體二面角約為30°，熔體呈孤立狀分布。加入微量揮發(fā)分（0.25 wt% NaCl 或 > 20 wt% H2O）后，二面角降至接近0°，實現(xiàn)熔體對橄欖石顆粒邊界的完全潤濕，形成三維連通薄膜（圖1）。作用機(jī)制：電子探針分析表明，含揮發(fā)分熔體可顯著溶解橄欖石中的硅、鎂、鐵等組分，從而大幅降低熔體–礦物界面能，這是引發(fā)超潤濕現(xiàn)象的根本原因。合理解釋地球物理異常：基于完全潤濕模型的計算顯示（圖2），僅需0.02–0.08 vol%的含揮發(fā)分碳酸鹽熔體，即可將電導(dǎo)率提升至觀測值（0.02–0.05 S/m），并引起相應(yīng)地震波速降低，與上地幔底部地球物理特征高度吻合。該熔體分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于以往無水模型預(yù)測值，成功調(diào)和了實驗與觀測之間的長期矛盾。
圖2. 模型計算結(jié)果：熔體含量及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對電導(dǎo)率和地震波速的影響。
（A-B）電導(dǎo)率模型估算上地幔底部的熔體含量；（C-D）熔體含量及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對地震波速的協(xié)同影響。
圖3. 彌漫的熔體網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)全球物質(zhì)循環(huán)。
????研究明確了揮發(fā)分在調(diào)控深部熔體行為中的關(guān)鍵作用（圖3）。完全潤濕的碳酸鹽熔體網(wǎng)絡(luò)可作為低黏度、高遷移性的超臨界流體，以極低分?jǐn)?shù)實現(xiàn)大規(guī)模滲透，從而：（1）驅(qū)動深部物質(zhì)循環(huán)：為碳、水及微量元素在地幔與地表間的循環(huán)提供高效通道，成為深部碳–水循環(huán)的核心環(huán)節(jié)；（2）引發(fā)地幔交代作用：熔體在遷移過程中與圍巖發(fā)生廣泛反應(yīng)，改變地幔化學(xué)成分，影響其不均一性與演化；（3）關(guān)聯(lián)重要地質(zhì)過程：該機(jī)制可能與板內(nèi)火山活動、深源鉆石形成及某些稀土礦床的成因密切相關(guān)。
????本研究由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所黃永勝副研究員（通訊作者）牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所/中國科學(xué)院大學(xué)（王煜研究員、博士研究生吳國濟(jì)、碩士研究生陶凱偉）、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）（梁戌然博士）、日本Tohoku University（Michihiko Nakamura教授）和德國University of Bayreuth（BGI）（李元研究員）共同完成。該研究由國家自然科學(xué)基金（42222204、42302060、42225302）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDB0840200）等項目支持。
論文信息
Yongsheng Huang,?Guoji Wu, Xuran Liang, Kaiwei Tao, Yu Wang, Michihiko Nakamura, and Yuan Li (2026). Upper mantle low-velocity layer tied to volatile-charged carbonate melts.?Science?Advances?12, eaec1018. DOI:10.1126/sciadv.aec1018
