残留块体对深部地幔上涌的透镜效应及其引发的异常沉降机制研究

本研究针对美国西部和南海地区观测到的1-2 km异常沉降现象，通过数值模拟揭示了深部地幔上涌与残留块体相互作用的动力学机制。研究人员发现当热柱上涌路径受阻于俯冲/拆沉残留块体时，会通过加速上地幔对流和增强岩石圈拉伸作用，形成宽度约200 km、幅度超1 km的持续沉降带。该成果发表于《Nature Communications》，为解释薄岩石圈区域异常沉降提供了新的深部动力学视角，并建立了MTZ相变参数（γ660>2.8 MPa/K，Δρ660≥7%）与沉降事件的定量关联。

　　

在地球动力学领域，美国黄石-斯内克河平原（YSRP）和南海（SCS）等薄岩石圈区域长期存在一个令人困惑的现象：这些区域发育着1-2 km的局部异常沉降，传统模型难以解释。现有理论认为地幔柱（plume）通常引发穹隆状隆起（如夏威夷热点）或短波长地形起伏（如盆岭省），但都无法说明YSRP和SCS出现的狭长沉降带。更矛盾的是，这些沉降中心下方地震层析成像显示存在深部地幔上涌，却被中地幔的高速异常体（可能为俯冲板片残片或拆沉的克拉通根）阻挡，形成独特的"热柱-残留块体"相互作用结构。

针对这一科学难题，中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队通过系统数值模拟，首次揭示了残留块体对深部地幔上涌的"透镜效应"。研究发现当660 km相变界面的密度跃变（Δρ₆₆₀）≥7%、克拉珀龙斜率（γ₆₆₀）>2.8 MPa/K时，下地幔热柱上涌会先引发1500 km范围的短暂沉降；若上涌路径存在残留块体，则会加速上地幔对流，使沉降幅度增强至>1 km并持续数百万年。该成果为理解板内异常沉降提供了全新机制，相关论文发表于《Nature Communications》。

研究采用二维有限元数值模拟技术，建立包含自由表面、相变边界（410/660 km）和应变率弱化效应的黏塑性模型。通过623组对照实验，系统测试了岩石圈厚度（60-120 km）、相变参数（γ₄₁₀=1.5-3.5 MPa/K，γ₆₆₀=-0.4至-4.0 MPa/K）和残留块体尺度（400-1000 km）的影响。模型数据与西部美国（YSRP-NBR）和南海地区的地震层析、莫霍面深度等观测结果进行了对比验证。

【主要结果】

1. 1.

   下地幔上涌的地形响应

   典型模型（Run 4）显示热柱在抵达岩石圈-软流圈边界（LAB）前会引发水平拉伸，导致1 km沉降（图3）。这种短暂沉降源于上涌物质引起的发散流对岩石圈的底拖作用，但会在热柱接触LAB后逐渐反转。

1. 1.

   残留块体的单独影响

   孤立残留块体仅能产生200 m沉降（图S8），远低于观测值。但值得注意的是，当块体宽度达1000 km时，热柱可能穿透块体（图7f），导致沉降中心部分回弹。

2. 2.

   上涌-残留块体相互作用

   关键模型（Run 760）显示两者耦合可产生>1.2 km沉降（图6）。残留块体使上涌路径偏转（图6c-d），形成不对称V型沉降带。岩石圈减薄（25 km）和弱下地壳物质流动共同维持了长期沉降（图6h-i），这与YSRP地区厚地壳（比邻区厚10-15 km）但低海拔的观测特征高度吻合。

【结论与意义】

该研究建立了深部动力学过程与地表形变的直接联系：1）首次提出残留块体的"透镜效应"，即其能聚焦和延长热柱引发的沉降；2）发现MTZ相变参数（γ₆₆₀/Δρ₆₆₀）的临界阈值控制沉降发生；3）为东北亚（渤海湾盆地、松辽盆地）等类似区域的异常沉降提供了统一解释框架。

值得注意的是，模型预测的沉降幅度（1.2 km）仍低于YSRP观测值（2 km），暗示浅部因素（如中上地壳基性侵入体）可能协同作用。未来研究需结合三维模拟和更高分辨率的地震成像，进一步约束残留块体（如停滞板片vs拆沉克拉通根）的组成和空间分布。这项成果不仅革新了对板内沉降机制的认识，也为理解克拉通破坏、地幔柱-板块相互作用等重大地球科学问题提供了新思路。