地幔过渡带（以 410 和 660km 深度为界）在地球演化和地幔对流中发挥着重要作用。越来越多的证据表明地幔过渡带可能富含水。俯冲至地幔过渡带的板块可以扰动含水的地幔过渡带物质上涌，在地幔过渡带顶部（上地幔底部）形成部分熔融低速层 (LVL)（图1）。

矿物物理学研究表明LVL中的熔体在一定条件下可以呈现出浮力状态。地球动力学模拟进一步显示LVL可能与中国东部的板内火山起源有关。LVL在现今的环太平洋俯冲区被普遍观测到，这些观测到的LVL大多位于俯冲板块的前端（大陆方向）。由于大洋缺乏地震台站，俯冲板块后端（大洋方向）的LVL很少被探测到，限制了相关地球动力学过程的认识。

图1板块俯冲诱发其前后附近区域生成LVL。深蓝和浅蓝分别代表俯冲板块的洋壳和岩石圈地幔。橙色表示含水的部分熔融LVL。橙色圆点表示水。箭头表示含水物质的运动方向。

西准噶尔位于中亚造山带（CAOB）西南部（图2a），古亚洲洋板块曾在此俯冲并最终消失。电磁和地震学证据显示此处保存有西北向俯冲的大洋岩石圈残余（图 2b），这进一步支持来自年代学、岩石学和地球化学的观测结果：在晚石炭至早二叠（~320-290Ma），洋中脊俯冲于此，并伴随板片窗的打开、板片熔融和断离。同时，地球化学和岩石学观测表明，在同一地质历史时期，此处发生过地幔柱或富集软流圈地幔上涌现象。然而，由于该区域观测数据有限，上地幔深部的详细结构认识不足，缺乏关于地幔柱或富集软流圈深部起源的约束。

图2 (a)中亚造山带及邻近克拉通的构造简图。红线表示准噶尔地体的边界。(b)研究区及其构造背景。蓝色表示残余的大洋板块化石所在位置。红点表示晚石炭至早二叠时期的A型花岗岩，绿星表示同一时期的洋岛型玄武岩所在位置。(c)所用地震(黑色沙滩球)和台站(黑色三角)。

古亚洲洋的闭合提供了一个很好的契机去探索俯冲板块后端的LVL及相关动力学过程。中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室地震各向异性与深部构造团队的李国辉副研究员及其合作者，基于网格搜索拟合4个浅源地震的P和SH波的三重震相波形资料(图2c和图3)，首次发现西准噶尔地幔过渡带顶部存在LVL。推测该LVL的形成很可能与古亚洲洋板块俯冲有关，在漫长的地质演化过程中可能伴随着熔体分数的变化，但在一定条件下仍然可以保存至今。

图3 观测(黑色曲线)和最优模型计算的理论(红色曲线)波形对比(a-d, f)以及速度模型(e, g)。

结合多学科观测结果，该研究提出了一种新的关于板块俯冲的深部动力学过程(图4)。古亚洲洋板块俯冲进入地幔过渡带，扰动其后方的含水物质上涌至上地幔，诱发部分熔融LVL的形成。由于洋中脊俯冲(图4a)或自身浮力(图4b)的驱动，LVL中的含水熔体很可能通过板片窗上涌至地表。这种俯冲模式可以解释西准噶尔在晚石炭至早二叠同时期形成的断离大洋板块、洋岛型岩石、广泛的A型花岗岩、埃达克岩和斑岩铜金，甚至可能促发了达拉布特和玛依勒断层的运动。从现今俯冲区(如西太平洋、缅甸弧和东喜马拉雅等)的层析成像结果看，这种深部过程很可能具有普遍性。该深部过程可为理解大洋俯冲过程和圈层相互作用提供重要理论依据，有助于从深部结构上为资源勘查、防灾减灾、环境保护和经济社会可持续发展提供重要数据支撑。

图 4 西准噶尔晚石炭至早二叠时期构造和岩浆岩形成的概念图。(a)洋中脊俯冲导致板块窗和板块断离，诱发 LVL 熔体通过板片窗上涌。(b)提出的贪食蛇模型。LVL 熔体通过自身浮力上涌至俯冲板块底部，高温含水岩浆烘烤使板块熔融、板块窗打开和板块断离。(c)现今的地球物理和地质观测。

除了传统认知的洋中脊俯冲，可能会诱发这种板块俯冲过程(图4a)，该研究提出了一种新的可能机制(图4b)。LVL中的含水高温熔体在自身浮力的作用下很可能上涌到俯冲板块底部，加热并融化了上覆俯冲板块，导致板块窗和板块断离，熔体继续通过板片窗上涌到地表。 这个自我破坏的过程看起来像一条贪吃的蛇，咬断了自己的尾巴，形成一个环状结构， 因此被命名为贪吃蛇模型。该模型为俯冲板片熔融、板片窗的打开和板片断裂以及相关的岩浆活动提供了一种新机制。西准噶尔出露的岩浆岩的地质年代学证据更支持贪吃蛇模型（详细分析请见原文）。

该研究成果近期以 “A partial molten low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Junggar: implication for the formation of subduction-induced sub-slab mantle plume” 为题发表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》期刊。中国地震局地震预测研究所的副研究员李国辉为论文的第一和通讯作者，合作者包括中国科学院大学的周元泽教授，中国科学院青藏高原研究所的丁林研究员、白玲研究员、张衡副研究员和张丁丁博士，以及地震局预测所的高原研究员、胡乐、潘正洋和琚长辉副研究员。本研究得到国家自然科学基金（42074100，41804083，42074103, 41874109），中央级公益性科研院所基本科研业务费（2021IEF0501）和中国科学院王宽诚率先人才计划（GJTD-2019-04)的联合资助。

论文信息：Guohui Li*, Yuanze Zhou, Lin Ding, Yuan Gao, Ling Bai, Heng Zhang, Le Hu, Zhengyang Pan, Changhui Ju, & Dingding Zhang. (2022). A partial molten low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Junggar: implication for the formation of subduction-induced sub-slab mantle plume. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 23, e2021GC010150.

原文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021GC010150