地球数十亿年来深部物质循环造成地幔的化学成分不均一。地幔中这些成分不均一的块体，被称为地幔化学不均一体。作为洋中脊下方熔体抽离后的固态残留体，深海橄榄岩是记录地幔源区化学组成的重要载体。以钕同位素为例，地球化学研究往往假设熔融残留体代表地幔源区的钕同位素组成。然而，地幔源区的同位素信号是否受到地幔熔融过程的改造仍是未知数。

洋中脊下方地幔熔融的过程受扩张速率的控制。在快速扩张洋中脊下方，快速的地幔上涌造成较大的地幔熔融程度和熔体流量。以东太平洋为典型的快速扩张洋中脊具有1%左右的熔体孔隙度。相比之下，以大西洋为典型的慢速扩张洋中脊仅有0.2%的熔体孔隙度。显然，不同扩张速率洋中脊具有截然不同的地幔熔融模式。因此，地幔熔融模型必须考虑洋中脊扩张速率的差异。

为了厘定地幔熔融过程对于熔融残留体化学组成的改造，中国科学院地质与地球物理研究所刘博达副研究员、刘传周研究员，联合美国布朗大学Yan Liang教授，首次模拟了化学不均一地幔在不同类型洋中脊下方的熔融。此研究结合了两相流模型和高阶数值计算方法，精度足够刻画公里级化学不均一体10^-9的相对同位素变化。通过与现今深海橄榄岩钕铪同位素观测对比，得出以下主要结论：

（1）在快速扩张洋中脊下方，化学不均一体产生的熔体向上交代背景亏损地幔，从而造成熔融残留体中钕铪同位素的中和（图1）。

（2）在地幔熔融和熔体运移过程中，钕同位素信号和铪同位素信号会在空间上分离（图2）。这样的同位素信号分离可以解释深海橄榄岩中观测到的与地幔序列（Mantle Array）解耦的铪同位素。

图1 洋中脊下方化学不均一体随着地幔熔融和地幔流动发生变形和混合

图2 对于快速扩张洋中脊，化学不均一体的钕同位素信号和铪同位素信号会在空间上分离。超慢速扩张洋中脊则始终保持钕铪同位素信号在熔融残留体中的耦合

以上结果揭示了地幔熔融作用对于地幔残留体化学成分的改造效应，为不同类型洋中脊熔融残留体的同位素差异和解耦提供了新的解释。同时，结果显示化学不均一体形态变化，为今后地幔地球化学研究提供了新的视角。

研究成果发表于国际学术权威期刊EPSL（刘博达，Yan Liang，刘传周。Changing Shape of Mantle Heterogeneity by Melt Migration beneath Mid-Ocean Ridges [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024. DOI:10.1016/j.epsl.2024.118925.）。研究受中国科学院战略先导项目（XDB0710000），美国自然科学基金（OCE-1852088, EAR-2147598），中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202202）联合资助。