谌永强 | 杨建锋等-自然通讯:下地幔顶部俯冲板片停滞的动力学新机制

俯冲板片是连接地球表层与深部物质和能量交换的关键纽带，其在地幔的俯冲过程深刻影响着地球内部物质循环与热演化。长期以来，科学家发现俯冲板片在地幔过渡带底部（约660公里深度）发生停滞，这与该深度的矿物相变密切相关。然而，地震学观测发现一个令人费解的现象：全球多个俯冲带的板片在更深处的约1000公里深度同样发生明显滞留（图1），而该深度并无已知的矿物相变界面。这种俯冲板片在中地幔深处的滞留，成为困扰地球深部动力学的难题。

以往，解释这一现象的主流假说主要归因于下地幔的异常成分或流变结构。一种观点认为，下地幔可能富含硅质组分（如再循环玄武岩），其密度远高于周围地幔，使俯冲板片因浮力难以穿透(Ballmer et al., 2015)。另一种观点则提出中地幔的粘度跳变(如Rudolph et al., 2015; Fei et al., 2023)，即在800–1200公里深度粘度增加或减少一个量级左右。然而，这些机制解释或与某些观测不符，或仍存在争议，中地幔的停滞依然未有定论。

图1 俯冲板片在下地幔顶部停滞的地球物理观测。(a) 1000 km深度切面；（b）典型俯冲带的横剖面

针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室谌永强博士后与导师杨建锋特聘研究员、赵亮研究员，从俯冲板片角度出发，结合矿物相变动力学和数值模拟方法，对板片在下地幔顶部的停滞机制展开研究。研究提出了一个新的动力学机制：石榴子石相变的缓慢反应速率是导致板片在1000公里深度停滞的关键。这一机制不需借助下地幔的化学异常或大幅粘度跳变，在普遍接受的“地幔岩”成分下可重现全球尺度的板片停滞现象。

研究通过二维动力学模拟，在板块尺度的模型中耦合石榴子石相变的反应动力学(kinetic reaction of garnet→bridgmanite)。平衡条件下，石榴子石在约720–760公里深度发生分解，形成布里奇曼石。然而，高压实验表明，这种分解在低温的俯冲板片内部极为缓慢，这导致低密度的“亚稳态”石榴子石能保存至950公里深度（图2）。研究将实验测得的转化速率、石榴子石晶粒尺寸及温度依赖关系耦合至热力学数值模型中，系统地量化了这种延迟相变的效应。

图2 石榴子石相变延迟的示意图及参数化。（a）石榴子石平衡相变以及延迟相变的温度压力区间；（b）残存石榴子石导致板片停滞的示意图；（c）石榴子石相变延迟的参数化；（d）石榴子石相变延迟对洋壳密度结构的影响

模拟结果验证了石榴子石延迟相变控制下的板片停滞（图3），同时发现该机制影响下，板片停滞是暂时性的。随着深部温度、压力逐步升高，石榴子石最终会完成转化，板片再次获得足够的负浮力并穿透进入下地幔深处。停滞的时间约为25–80个百万年，与全球地震层析成像所揭示的板片暂时滞留特征相吻合 （图4） 。模型进一步考虑了石榴子石颗粒大小、含量以及板片俯冲板片进入下地幔的角度等因素的影响，构建了不同参数影响下的俯冲板片行为，发现大颗粒、高石榴子石含量以及中等的俯冲角度更有利于俯冲板片在下地幔顶部的停滞。这与全球实际观测表现出高度一致性，比如陡倾角的马里亚纳、科科斯板片可直接俯冲，而中倾角的巽他、堪察加板片则在中地幔深度停滞。

图3 数值模拟结果。（a–c）石榴子石瞬时相变的模型演化结果；（d–f）石榴子石延迟相变的模型演化结果

图4 模型与实际观测比对。（a）俯冲板片进入下地幔角度影响板片停滞行为；（b）板片俯冲年龄与深度的关系显示板片停滞的暂时性。绿色、白色圆圈以及灰色实线为观测结果，彩色实线为模型结果

针对前人提出的粘度跳变机制，该研究也做了进一步检验。结果显示，即使人为地在1000公里设置一个量级的粘度升高，当考虑俯冲板块附近高应力区由“纯攀移蠕变(pure climb creep)”主导的变形时，周围地幔的有效粘度会因位错变形而下降，不足以构成阻挡。这说明单纯的粘度变化难以作为停滞的主导机制。

这一研究将微观的石榴子石相变动力学过程与动力学数值模型结合，提出石榴子石的延迟相变过程可能是俯冲板片在下地幔顶部停滞的主要原因，为这一长期未解的现象提供了全新的解释。这对理解下地幔俯冲动力学、全地幔物质循环以及高温高压矿物相变等多个领域均具有重要的科学意义。未来亟需在高温高压下水对相变反应速率的影响、从实验室尺度向地质时间尺度外推、下地幔精细流变结构特征及成分结构等方面开展更深入的工作。

研究成果发表于国际学术期刊自然通讯（谌永强，杨建锋*，赵亮. Sluggish post-garnet transformation controls slab stagnation at the uppermost lower mantle[J]. 自然通讯, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-72495-5.）。研究受国家自然科学基金基础科学中心项目(42488201)及多圈层相互作用的油气富集理论项目资助。