位错蠕变可能主导地球下地幔中包石的变形

为什么深部地球表现不同

在我们脚下深处，位于数百到上千公里的深度，地幔岩石在数百万年尺度上缓慢流动。这种深部运动驱动板块构造、塑造火山活动，并影响地震波在行进过程中的表现。然而地震观测揭示了一个难题：在俯冲的板块周围，地震波表现出像岩石被“拉伸”一样的方向性，但在下地幔的大部分区域，地震波几乎在各个方向上以相同速度传播。该研究表明，一种关键矿物——包石，主要由温度决定——能够自然地解释这两种行为。

最常见的深部矿物

包石被认为是地球下地幔中最丰富的矿物，约占该区域岩石的四分之三。它在晶体尺度上并非各个方向都同样强：取决于微小晶粒如何取向，地震波在某个方向上可能传播得更快。当许多晶粒具有相似取向——称为优选取向——整体岩石对地震波就表现出方向依赖性，即各向异性。多年来，科学家们一直争论：下地幔几乎各向同性的观测是否意味着包石在那里不通过称为位错蠕变的晶体滑移过程变形，而位错蠕变倾向于产生优选取向。

在实验室再现深地幔

为了解决这一问题，研究人员将合成包石样品压到约25千兆帕——相当于约700–800公里深度附近的压力——并加热到1700–2100开尔文。他们测试了无铁和含铁两种成分，匹配实际地幔岩石的预期成分。利用特殊的压机，他们在受控速率下对样品施加挤压和剪切，然后检查微小晶粒如何旋转和再结晶。同步加速器设施上的高能X射线衍射使他们能够绘制出变形前后晶格的取向分布。

晶体取向的温度开关

实验揭示出一个清晰的温度驱动开关，决定了包石晶体在变形时如何排列。在较低温度（约1800开尔文以下），晶体会形成强烈、有序的织构：特定的晶体方向与施加的应力对齐，产生明显的速度方向差异。在较高温度（约1900–2100开尔文）下，晶体重组为另一种取向模式，在水平剪切条件下会导致非常弱的地震各向异性——几乎表现为各向同性——尽管变形机制仍然是位错蠕变。重要的是，这一转变在贫铁和富铁样品中均出现，表明在这些条件下温度而非化学成分是主要控制因子。

从晶体织构到地震波

研究团队利用测得的晶体取向和已知的包石弹性性质，计算了P波和S波通过这些织构时的传播情况。他们发现，低温织构会产生明显的方位各向异性：在与剪切流动相关的方向上，波速可明显更快，尤其是在诸如俯冲板块下方的水平剪切区。相比之下，在类似剪切下的高温织构仅产生非常细微的速度差异，呈现出近乎各向同性的特征。这为为何在寒冷的俯冲区下方观察到强烈地震各向异性，而周围较温暖的下地幔则几乎各向同性，提供了自然解释，无需假设完全不同的变形方式。

重新思考深地幔的流动

综合这些结果，作者提出包石的位错蠕变可能主导下地幔大部分区域的变形。在接近俯冲板块的冷区，低温织构导致强烈、可观测的各向异性，与许多局地地震研究一致。在较温暖、更深或更远的区域，高温织构使地幔对地震波看起来近乎各向同性，尽管晶体仍有取向且岩石仍在流动。这意味着缺乏强烈各向异性并不必然意味着没有晶体取向或变为不同的蠕变过程。相反，包石微观行为随温度的变化可以统一先前看似矛盾的观测，并为我们的星球深部如何随地质时间移动和演化提供了更清晰的图景。

引用: Guan, L., Yamazaki, D., Tsujino, N. et al. Dislocation creep may control bridgmanite deformation in the Earth’s lower mantle. Commun Earth Environ 7, 183 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03212-9

关键词: 地球下地幔, 包石, 地震各向异性, 地幔对流, 位错蠕变