物质从固相到液相是温度和压力变化或者是固相线迁移的结果，火山喷发本质上也是这个过程，因此地球上大多数火山作用无非是3种起源：1）减压熔融，如洋中脊玄武岩（MORB）；2）核幔边界起源的强烈热扰动（地幔柱）引起的洋岛玄武岩（OIB），如夏威夷火山；3）脱挥发分引起的固相线迁移，如通常处于俯冲板块边界的岛弧火山。近年来，有一类特殊的火山逐渐引起了地球科学家的重视：一种既不属于地幔柱成因，又远离板块边界（>1000 km），如长白山火山；还有一种叫做“petit-spot”，它具有EM1的地球化学特征（图1），但不属于洋岛玄武岩，如太平洋底新发现的小火山。这两种火山分别出现在日本俯冲带的前方和后方，它们的成因无法用经典的板块构造理论解释，还存在巨大的争议（Sun et al.,2017；Zhang et al.,2018；Chen and Faccenda,2019；Fan and Chen,2019；Lai et al,2019；陈棋福等，2019）。我所2017届博士毕业生杨建锋与意大利帕多瓦大学的Faccenda教授合作，对这一类火山的动力学过程提出了全新的认识，研究成果发表于Nature。
图1 (a) 中国东北地区新生代岩浆和petit-spot分布图；(b) 地震P波速度扰动切片图（图a灰线）(Yang and Faccenda, 2020)
地幔过渡带（410-660 km）具有很强的含水能力，它主要由瓦兹利石和林伍德石组成，它们的含水能力比上地幔的主要矿物（橄榄石）和下地幔的主要矿物（布里奇曼石）多一两个量级。多学科的证据也暗示中国东部的地幔过渡带确实富水，含水量可能达到0.5 wt.%。
研究者设计的动力学数值模型结果表明：当俯冲板块与湿的地幔过渡带发生相互作用时，会将地幔过渡带的水挤出，这些水之后进入上下地幔，从而促发部分熔融，形成地震波低速异常及海沟前方的内陆火山（图2）。随着板块后撤，更多的含水地幔流进入上地幔，在海沟后方发生脱水熔融，进而形成petit-spot火山。
图2 地幔过渡带之上和之下的脱水熔融。a.物质成分场；b.含水量（曲线为等温线）；c.模拟的地震P波速度异常(Yang and Faccenda, 2020)
通过动力学模拟优选模型，发现火山岩的时空变化具有这些特征：大陆一侧，距离海沟越远，火山岩越年轻；海沟后方，距离海沟越远，petit-spot就越年轻（图3）。值得注意的是，该模型假设地幔过渡带含水是均匀的，从而使火山岩和petit-spot呈现较好的时空关系，如果过渡带的含水不均匀，可能就会打破这种时空关系。因为只有含水量足够多的区域才能发生熔融，不含水或者含水量不足的区域不能发生熔融，也就是说，如果含水量不足，即使地幔转换带的物质因对流进入上地幔，也不能形成火山岩。
图3 火山岩体积随时间的演化(Yang and Faccenda, 2020)
地震波低速异常带位于地幔过渡带（410 km）之上，且全球广泛分布，普遍解释是这一低速带由部分熔融引起，且410 km之上的融体密度要比周围地幔更重。该研究支持部分熔融的解释，但实验和模拟表明，410 km处的融体密度要比周围地幔更轻，而不是更重。因为干的熔体相比于周围地幔更重，湿的熔体则更轻，只有更轻，熔体才能进入上地幔并发生熔体抽取。
除了含水量可以影响熔融，是否需要考虑其他因素？岩石物理实验获得的地幔固相线表明，要使410 km深度发生熔融有两种可能，一种是存在地幔柱，另一种是含挥发分。地幔过渡带中主要的挥发分有两种：H2O和CO2。如何排除挥发分中的CO2是主因？尽管有实验表明在～400 km深度可能会发生碳酸盐化的玄武岩熔融，可以用来解释俯冲板块上方的低速带（图1中的LVZ3），但解释不了板块后方和下方的低速异常（或部分熔融）。另一个方面，当深度超过～250 km时，随着深度增加，地幔由于Fe饱和（Rohrbach et al., 2007），氧逸度降低，从而变得更加还原，也有研究表明在冷的板块内，由于存在含水矿物，可能会形成氧化环境，但在过渡带深度的碳酸盐岩熔体会发生氧化还原冻结（redox freezing），所以碳在这个深度范围是稳定的,只能以石墨和金刚石的状态存在，不会发生部分熔融。总体而言，碳即使参与了熔融，也不会是主因。
这项研究的重要科学意义在于：模拟表明地幔过渡带存在水可以同时解释地质、地球化学和地球物理观测，如地震学上观测的上地幔低速带，以及地质学上观测到的内陆火山（如地中海地区的非造山火山、土耳其—伊朗高原的内陆火山）和petit-spot。
主要参考文献
陈棋福, 艾印双, 陈赟, 2019. 长白山火山区深部结构的探测研究进展与挑战. 中国科学:地球科学, 49(5): 778-795.
Chen L, Faccenda M. Subduction‐induced upwelling of a hydrous transition zone: Implications for the Cenozoic magmatism in Northeast China[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(11): 11489-11504.(链接)
Fan X, Chen Q F. Seismic constraints on the magmatic system beneath the Changbaishan volcano: Insight into its origin and regional tectonics[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(2): 2003-2024.（链接）
Lai Y, Chen L, Wang T, et al. Mantle transition zone structure beneath Northeast Asia from 2‐D triplicated waveform modeling: Implication for a segmented stagnant slab[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(2): 1871-1888.（链接）
Rohrbach A, Ballhaus C, Golla–Schindler U, et al. Metal saturation in the upper mantle[J]. Nature, 2007, 449(7161): 456-458.（链接）
Sun Y, Teng F Z, Ying J F, et al. Magnesium isotopic evidence for ancient subducted oceanic crust in LOMU-like potassium-rich volcanic rocks[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(10): 7562-7572.（链接）
Yang J, Faccenda M. Intraplate volcanism originating from upwelling hydrous mantle transition zone[J]. Nature, 2020, 579: 88-91.（链接）
Zhang M, Guo Z, Liu J, et al. The intraplate Changbaishan volcanic field (China/North Korea): A review on eruptive history, magma genesis, geodynamic significance, recent dynamics and potential hazards[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 187: 19-52.（链接）
（撰稿：赵亮/岩石圈室，杨建锋/意大利帕多瓦大学）
