摘要：来自法国里昂大学CNRS/ENS实验室的科学家把地震面波层析成像观测结果和矿物物理实验结果相结合，首次在全球尺度下对软流圈内不同深度处的熔体含量进行了估算。他们的新模型不但考虑了地震波速，而且考虑了波速穿过介质时的衰减情况，研究发现，构造板块的运动速度直接与软流圈中熔体含量有关，软流圈中少量熔体的存在可能会极大地促进板块的运动。

　　岩石圈位于地球最外层，平均厚度约为80 km，由地壳和部分上地幔组成，它又被划分成许多刚性的构造板块，它们在下伏低粘度的软流圈上运动。岩石圈与软流圈之间的界面被称为LAB（lithosphere-asthenosphere boundary）。LAB下方，地震剪切波速下降了3%-10%，即在软流圈中约100-200 km深度处存在一全球范围的地震低速层（LVZ），与上地幔的低粘度层在深度上基本一致，但时至今日，人们对低粘度层的起源缺少理解，对LVZ的成因也仍有争议。　　  

　　自20世纪70年代以来，地震学家重点研究了地震波的传播速度，发现它们随着传播介质的温度（介质越冷，地震波速越快）、化学成分而发生变化。大量实验研究证实，剪切波速（Vs）与温度、成分和熔体含量密切相关，而剪切波衰减（Qs）几乎不受化学成分的影响，却强烈地受温度的影响，与温度呈指数关系变化。因此，将Vs与Qs观测结合是约束岩石圈之下LVZ成因的更有效手段。最近的一系列实验结果进一步表明，熔体可能是一个很好地解释LVZ成因的候选项，而水或许不是。

　　自法国里昂大学CNRS/ENS实验室的Eric Debayle 等人，通过对台站记录到的大量的瑞利面波资料，利用地震面波层析成像方法，不但给出了全球范围内上地幔不同深度处的剪切波速模型（DR2020s），而且给出了剪切波的衰减模型(QsASDR17)，即沿着传播方向地震波速的变化情况，并结合Vs和Qs随温度、压力、熔体含量变化的实验结果及相应的模拟结果，第一次给出了上地幔不同深度处的熔体含量（图1）。

图1 上地幔不同深度处的熔体含量（Debayle et al., 2020）

　　Debayle等人的模型结果显示： 

　　（1）在洋中脊、大的热点和太平洋附近的弧后地区下方100-200 km深度处，都有熔体存在，熔体比例高于0.3%，可达0.7%，与Freitas et al.(2019)最新的实验结果相吻合； 

　　（2）大洋软流圈中150-200km深度范围，LVZ中的熔体比例低于0.3%，大约与Chantel et al.（2016）的实验结果相一致，但高于Selway et al. (2019)基于Chantel等的实验结果模拟计算给出的非析出熔体的比例（<0.1%）（图2）；大陆岩石圈下部150-200 km深度范围的软流圈中几乎没有熔体存在； 

　　（3）东非裂谷、青藏高原、南极洲的Balleny岛、北美西部等构造活动地区下方300 km深度处，仍有少量熔体存在； 

　　（4）全球地幔350km深度处几乎没有熔体存在。 

　　熔体实验结果表明，少量非析出熔体（～0.1%）就可以导致波速的下降（Selway et al.,2019)，而且部分熔融层状模型可以解释大洋LVZ中的径向各向异性，以及LAB界面处的速度差、粘度差等，故Debayle等的研究成果可以帮助人们更好地辨析LVZ的成因。 

图2 波速降幅随熔体比例变化的实验结果（a）；利用实验结果估算得到不同地质环境下观测得到的Vs异常所对应的熔体比例（b）（Freitas et al.，2019）

　　Debayle等研究还发现，在快速运动（大于4cm/year）的板块，如太平洋板块下部，软流圈100-200 km深度处的熔体含量也高。这表明，熔体促进了变形，而变形支持LVZ中熔体的滞留。少量熔体的存在可使构造板块下方地幔的粘滞系数降低1-2个量级，使板块与下伏地幔“解耦”。 

　　少量熔体促进了板块底部的运动和软流圈中大尺度的晶体定向排列，这对理解波速各向异性、板块构造及其运动机制等具有重要意义。　　  

　　【致谢：感谢岩石圈室陈凌研究员的宝贵修改建议。】

　　主要参考文献 

　　Chantel J, Manthilake G, Andrault D, et al. Experimental evidence supports mantle partial melting in the asthenosphere[J]. Science Advances, 2016, 2(5): e1600246.（链接） 

　　Debayle E, Bodin T, Durand S, et al. Seismic evidence for partial melt below tectonic plates[J]. Nature, 2020, 586(7830): 555-559.（链接） 

　　Freitas D, Manthilake G, Chantel J, et al. Simultaneous measurements of electrical conductivity and seismic wave velocity of partially molten geological materials: effect of evolving melt texture[J]. Physics and Chemistry of Minerals, 2019, 46(6): 535-551.（链接） 

　　Selway K, O'Donnell J P. A small, unextractable melt fraction as the cause for the low velocity zone[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 517: 117-124.（链接） 

　　（撰稿：黄晓葛/地星室）