地幔上涌中熔融的一个普遍概念

深部地球熔融为何与我们息息相关

在我们脚下深处，地幔中的热岩石像巨大熔岩灯中的流动缓慢上升。这种隐秘的运动驱动火山活动、构建新的海底，并将钻石等从深处带上地表。然而，科学家长期困惑于一个基本问题：当地幔岩石在极深处首次开始熔融时，最初的熔体是什么样子？在海洋、岛屿和大陆下是否遵循相同的规则？本研究着手解决这一谜题，并提出单一类型的富碳熔体可能是大多数地球火山的根源。

深部“熔岩”的第一滴

当固态地幔上升时，压力下降，使得熔融更容易发生。经典模型认为“干”岩石直到接近约40–70公里的较浅深度才会开始熔融。但在地表采集到的真实熔岩常含有溶解的二氧化碳（CO₂）和水，这些挥发物可以促使在更深处发生熔融。作者关注发生在约230–250公里深度附近的过程，在那里地幔中微量的金属和碳可以与含铁矿物发生反应。在这一反应中，固态碳（以金刚石或金属合金形式存在）被氧化为CO₂，从而允许地幔岩石在比原先可能低数百度的温度下开始熔融。

一种普遍的起始配方：富碳的类金伯利岩熔体

为检验这种深部“氧化还原”熔融在各处是否表现相同，研究者在约7千兆帕的高压条件下进行了实验——相当于约230公里的深度。他们以三种非常不同的地表熔岩类型为起点：可携带钻石的金伯利岩、来自热点的碱性洋岛玄武岩，以及构造洋壳的侵入性玄武质（TP: tholeiitic）玄武岩。实验室中，他们让每种岩浆与在适当压力和温度下的真实地幔矿物混合平衡。尽管来源迥异，三种样本都趋向几乎相同的熔体：一种富含CO₂、含镁和钙的硅酸盐液体，铝含量低，与天然的类金伯利岩成分类似。这表明任何固态地幔上涌——无论多热或多宽——一旦穿过该氧化还原位面，首先产生的都是大体相似的碳酸化、金伯利风格的熔体。

一种熔体如何演化出多样火山类型

这些富碳熔体一旦形成，并不会原封不动地上升。熔体沿着周围的橄榄岩向上渗流，溶解某些矿物并在压力下降时失去部分CO₂。这种称为反应性多孔流的过程持续增加熔体总量，并推动其成分向更高的二氧化硅和更低的挥发物含量演变。在非常厚且古老的大陆根基下，熔体可能在其诞生地附近被捕获，作为典型的富CO₂且富不相容元素的金伯利岩喷发出来。在具有中等厚度岩石圈的洋岛下，同样的初始熔体可以演化为强碱性、硅饱和度偏低的熔岩。若上覆板块较薄且熔融过程持续到较浅深度，原有的类金伯利岩特征几乎会被大量更干、二氧化硅含量更高的玄武岩所覆盖，这是中洋脊典型的岩浆类型。

来自微量元素和地震波的线索

熔岩中的化学指纹支持这种共同起源。锶、钕、铪和铅等元素的同位素显示，金伯利岩、洋岛玄武岩和中洋脊玄武岩都打开户相似的深部地幔贮库，只是熔融程度和混合程度不同。微量元素模式可以通过从非常小的熔融分数（如金伯利岩）开始，逐步增加熔融量来解释，直到接近脊下看到的更高数值。地震学提供了独立证据：一个全球性的低速带，通常被解释为含有少量熔体，位于海盆下约200–250公里深度。这个深度范围与碳诱导熔融应开始的氧化还原位面相一致，暗示相同的过程在全球范围内起作用。

在复杂火山之下的简单大局

对非专业读者来说，关键信息是：地球上最为多样的熔岩类型——从含钻石的金伯利岩到像夏威夷那样的岛链，再到铺底海洋的玄武岩——可能都起源于本质相同的深部富碳熔体。我们在地表看到的差异，主要来自这些熔体上升过程中的行程长度、在途中增长的程度，以及上覆构造板块的厚度。从这个角度看，深部地幔中的碳不仅是微不足道的成分：它是把固体上涌转变为含熔体羽流的开关，为地球内部熔融如何开始提供了一个统一的全球框架。

引用: Schmidt, M.W., Paneva, N. & Giuliani, A. A universal concept for melting in mantle upwellings. Nature 650, 903–908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10065-3

关键词: 地幔熔融, 金伯利岩, 地幔中的二氧化碳, 洋岛玄武岩, 中洋脊玄武岩