地幔上部的轻微到剧烈的可塑性

为什么地球深处的岩石并不总是平稳流动

在我们脚下深处，地幔由炽热的固体岩石构成，数百万年间缓慢蠕动，驱动着大陆的运动。人们通常把这种缓慢流动想象成平滑且稳定的，就像冷却的蜂蜜。这里总结的论文对这一图景提出了挑战。通过在实验室探测岩石矿物的微小区域，作者展示了即便是看似固态、缓慢移动的岩石也能以突发的微观冲击变形。这些隐藏的颤动可能有助于解释令人费解的深源地震和行星内部其他意外的滑移现象。

从温和流动到突发震动

几十年来，地球物理学家通常假定上地幔的变形主要通过连续、几乎不变的蠕变发生。大尺度的板块运动测量和地震后松弛显示出平滑、渐进的运动，强化了这一看法。但材料科学的研究揭示了金属、冰和其他晶体中更丰富的行为谱系。许多材料并非均匀流动，而是以断断续续的方式变形，出现称为位错雪崩的短暂内部应变激增。从近乎平稳的“温和”行为到高度抖动的“剧烈”行为，这一范围被称为轻微到剧烈的可塑性。新研究要回答的问题是：地球主要的地幔矿物橄榄石在这个谱系上处于何处？

戳试地幔岩石的微小体积

作者重新审视了一组对单晶橄榄石的纳米压痕试验。在这些测试中，一个钻石尖端、末端非常小且圆的探针被压入晶体，同时仪器记录样品的反力和表面沉降。起初，响应是弹性的：如果移除载荷，晶体会回弹。随后，一个明显的“弹入”标志着永久变形的开始。此后，压痕逐渐加深，晶体发生塑性流动。团队关注这一后期阶段，以观察看似平滑的塑性流动是否实际上隐藏着微小、突然的位移跳跃。

检测微观雪崩

通过分析数百条载荷—位移曲线，研究者发现大多数试验包含许多小的突发事件——在背景噪声之上突出的快速压痕深度跳跃。这些突发通常只有几纳米高，但发生在单个测量区间内，表明事件非常迅速。统计分析显示，它们的大小遵循对数正态分布，这一模式符合许多位错——晶体内部的线状缺陷——以相关的雪崩方式移动而非独立移动的情形。利用将压痕数据转换为应力—应变估算的方法，作者计算出在初始弹入之后，约有4–12%的总塑性应变是在这些突发事件中载运的。总体而言，室温下的橄榄石大多表现为温和型，但具有可测量的“剧烈”成分。

从实验室尺度向地球深部的尺度推展

为将这些发现与地幔联系起来，研究使用了一个理论框架，将“剧烈性”与两个关键因素联系起来：被观测区域的尺寸和对位错运动的内部阻力。当样品尺寸较大或位错运动的障碍强时，许多微小的雪崩会混合为看似平滑的信号——温和的可塑性；当区域较小或阻力较弱时，单个雪崩会占主导——剧烈的可塑性。橄榄石的测量和流动定律表明，在地球寒冷而坚硬的岩石圈上部地幔中，阻力较高，大多数尺度上的可塑性保持温和。相比之下，在更热、阻力较弱的软流圈中，同一框架预测极其剧烈的行为——直到晶粒尺度的变形主要由间歇性雪崩而非平稳蠕变来承载。

隐藏的爆发与地球神秘的深部滑移

这些结果暗示了随深度的转变：从浅部上地幔主要平滑、温和的可塑性，到深部高度间歇、剧烈的可塑性。对卫星或地面GPS站而言，深部这些行为仍会显得平滑，因为无数晶粒尺度的雪崩在广阔距离和长时间尺度上相互平均。然而，在应变率局部很高的地方——例如俯冲带或展性剪切带——位错运动的突发可能有助于触发或放大更大尺度的不稳定性，包括深源地震和慢滑事件。简单来说，这项研究表明，地球表面看似平静、缓慢蠕动的地幔内部可能正充斥着微观的“岩震”，而这种隐藏的剧烈性可能是我们理解固体地球何时以及为何突发性失稳而非安静流动时缺失的重要因素。

引用: Wallis, D., Kumamoto, K.M. & Breithaupt, T. Mild-to-wild plasticity of Earth’s upper mantle. Nat. Geosci. 19, 339–344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41561-026-01920-7

关键词: 上地幔, 橄榄石, 可塑性, 位错雪崩, 软流圈