火山作用是地球上常見的地質現(xiàn)象，是地球內部生機勃勃的地表表現(xiàn)。它們有的分布在大洋中脊，如冰島雷克雅內斯半島最近幾年的火山噴發(fā)，是地幔物質沿著兩個相鄰板塊之間的邊界發(fā)生上涌減壓熔融產(chǎn)生。它們或分布在大洋島弧或者大陸火山弧，其形成與板塊的俯沖作用直接相關，如2022年1月發(fā)生在南太平洋島國湯加的海底火山噴發(fā)。它們也可以分布在板塊內部，比如夏威夷群島和加那利群島的火山，是地幔柱活動的產(chǎn)物。大陸內部的火山作用在規(guī)模上要比前述三種經(jīng)典的火山作用要小得多，比如我國的長白山天池火山、五大連池火山等，雖然它們分布很廣，但其形成機制尚不清楚。
近日，我校地球科學與工程學院和西北大學地質學系組成的合作科研團隊，在大陸火山的成因研究上取得了重要進展。該團隊采用地球化學與地球物理相結合的方式，分析了東亞大陸火山巖地幔源區(qū)的物質組成以及地幔變形特征。研究結果顯示俯沖并滯留在地幔過渡帶的太平洋板片發(fā)生了撕裂，導致地幔發(fā)生上涌，板片物質隨著地幔上涌返回至上地幔淺部發(fā)生減壓熔融，進而誘發(fā)大陸板內火山作用。
圖1東亞新生代火山分布與俯沖太平洋板片的空間關系
大洋板片通過俯沖作用進入地幔后，經(jīng)常會在地幔過渡帶的深度（約410~660 km）發(fā)生滯留形成滯留板片（stagnant slab）。大陸內部的火山作用常常與地幔過渡帶中的滯留大洋板片在空間上相對應，以東亞地區(qū)最為典型（圖1），因此普遍認為這些大陸火山作用與其下的滯留板片有關。但是，深埋在地幔中的滯留大洋板片如何誘發(fā)大陸表面的火山作用呢？
為此，該團隊選擇黑龍江省東部的雙鴨山地區(qū)作為主要研究對象（圖1），并結合整個東亞地區(qū)新生代火山噴發(fā)區(qū)，開展地球化學與地球物理學科交叉研究。地震記錄顯示雙鴨山地區(qū)缺少深源（深度大于400 km）大地震，且層析成像的結果顯示該地區(qū)之下的滯留板片存在缺失（圖1），這些證據(jù)說明雙鴨山之下的滯留太平洋板片發(fā)生了撕裂，產(chǎn)生板片窗?；诖?，團隊對板片窗之上的雙鴨山新生代玄武巖開展了基于多種地球化學手段的聯(lián)合示蹤研究，并對板片窗之上上地幔的變形特征進行了分析，來識別并刻畫出俯沖太平洋板片物質從地幔過渡帶上升到上地幔淺部的路徑，從而厘清了大陸火山作用的地球動力學起源機制。
圖2同位素聯(lián)合示蹤表明雙鴨山地區(qū)玄武巖的地幔源區(qū)含有俯沖太平洋洋殼
研究結果顯示雙鴨山玄武巖在穩(wěn)定同位素組成上具有顯著偏高的δ57Fe和偏低的δ26Mg值以及獨特的放射成因Pb-Nd同位素組成（圖2），在元素組成上則具有偏高的Gd/Yb比值和偏低的Ti/Eu，CaO/Al2O3比值。這些地球化學指標表明雙鴨山玄武巖的上地幔源區(qū)存在再循環(huán)的俯沖太平洋洋殼組分——榴輝巖。與此同時，近震S波分裂分析結果揭示出一個與板片窗相關的上地幔環(huán)狀流，表明含有板片碎片的地幔上涌流在上地幔中轉變?yōu)橄蛑車貐^(qū)的環(huán)狀流動，從而引發(fā)周圍地區(qū)廣泛的板內火山作用。初步的地球化學和地球物理檢驗表明，東亞地區(qū)的大多數(shù)新生代火山作用可能與滯留板片在地幔過渡帶中的撕裂過程有關。這項研究為大陸火山作用的起源機制提出了一個“滯留板片撕裂誘發(fā)地幔上涌”的地球動力學模型，即俯沖過程引起滯留板片發(fā)生撕裂，誘發(fā)地幔上涌。該過程導致俯沖到地幔過渡帶的洋殼（榴輝巖）隨地幔上涌流返回上地幔并減壓熔融，從而在大陸內部引發(fā)火山作用（圖3）。
圖3俯沖滯留板片撕裂誘發(fā)大陸板內火山作用卡通圖
相關成果以The return of stagnant slab recorded by intraplate volcanism為題發(fā)表在國際一流綜合性學術期刊PNAS今年第一期。我校地球科學與工程學院博士生周中彪為論文第一作者，西北大學地質學系陳立輝教授和我校地球科學與工程學院黃周傳教授為論文共同通訊作者。參與研究的還有德國馬普化學所的A. W. Hofmann教授、西北大學地質學系的王小均副教授和博士生趙鍵以及我校地球科學與工程學院的曾罡副教授和碩士生畢雅菁同學。該工作得到了國家自然科學基金（42130310和42322202）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費（2024300389）和國家重點研發(fā)計劃（2022YFF0800701）的資助。
論文信息：Zhou, Z.-B., Chen, L.-H.*, Huang, Z.-C.*, Hofmann, A.W., Wang, X.-J., Zeng, G., Bi, Y.-J., Zhao, J., 2025. The return of stagnant slab recorded by intraplate volcanism. PNAS, 122(1), e2414632122.
文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2414632122
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