火山作用是地球上常见的地质现象，是地球内部生机勃勃的地表表现。它们有的分布在大洋中脊，如冰岛雷克雅内斯半岛最近几年的火山喷发，是地幔物质沿着两个相邻板块之间的边界发生上涌减压熔融产生。它们或分布在大洋岛弧或者大陆火山弧，其形成与板块的俯冲作用直接相关，如2022年1月发生在南太平洋岛国汤加的海底火山喷发。它们也可以分布在板块内部，比如夏威夷群岛和加那利群岛的火山，是地幔柱活动的产物。大陆内部的火山作用在规模上要比前述叁种经典的火山作用要小得多，比如我国的长白山天池火山、五大连池火山等，虽然它们分布很广，但其形成机制尚不清楚。
近日，我校地球科学与工程学院和西北大学地质学系组成的合作科研团队，在大陆火山的成因研究上取得了重要进展。该团队采用地球化学与地球物理相结合的方式，分析了东亚大陆火山岩地幔源区的物质组成以及地幔变形特征。研究结果显示俯冲并滞留在地幔过渡带的太平洋板片发生了撕裂，导致地幔发生上涌，板片物质随着地幔上涌返回至上地幔浅部发生减压熔融，进而诱发大陆板内火山作用。
图1东亚新生代火山分布与俯冲太平洋板片的空间关系
大洋板片通过俯冲作用进入地幔后，经常会在地幔过渡带的深度（约410~660 km）发生滞留形成滞留板片（stagnant slab）。大陆内部的火山作用常常与地幔过渡带中的滞留大洋板片在空间上相对应，以东亚地区最为典型（图1），因此普遍认为这些大陆火山作用与其下的滞留板片有关。但是，深埋在地幔中的滞留大洋板片如何诱发大陆表面的火山作用呢？
为此，该团队选择黑龙江省东部的双鸭山地区作为主要研究对象（图1），并结合整个东亚地区新生代火山喷发区，开展地球化学与地球物理学科交叉研究。地震记录显示双鸭山地区缺少深源（深度大于400 km）大地震，且层析成像的结果显示该地区之下的滞留板片存在缺失（图1），这些证据说明双鸭山之下的滞留太平洋板片发生了撕裂，产生板片窗。基于此，团队对板片窗之上的双鸭山新生代玄武岩开展了基于多种地球化学手段的联合示踪研究，并对板片窗之上上地幔的变形特征进行了分析，来识别并刻画出俯冲太平洋板片物质从地幔过渡带上升到上地幔浅部的路径，从而厘清了大陆火山作用的地球动力学起源机制。
图2同位素联合示踪表明双鸭山地区玄武岩的地幔源区含有俯冲太平洋洋壳
研究结果显示双鸭山玄武岩在稳定同位素组成上具有显着偏高的δ57贵别和偏低的δ26惭驳值以及独特的放射成因笔产-狈诲同位素组成（图2），在元素组成上则具有偏高的骋诲/驰产比值和偏低的罢颈/贰耻，颁补翱/础濒2O3比值。这些地球化学指标表明双鸭山玄武岩的上地幔源区存在再循环的俯冲太平洋洋壳组分——榴辉岩。与此同时，近震厂波分裂分析结果揭示出一个与板片窗相关的上地幔环状流，表明含有板片碎片的地幔上涌流在上地幔中转变为向周围地区的环状流动，从而引发周围地区广泛的板内火山作用。初步的地球化学和地球物理检验表明，东亚地区的大多数新生代火山作用可能与滞留板片在地幔过渡带中的撕裂过程有关。这项研究为大陆火山作用的起源机制提出了一个“滞留板片撕裂诱发地幔上涌”的地球动力学模型，即俯冲过程引起滞留板片发生撕裂，诱发地幔上涌。该过程导致俯冲到地幔过渡带的洋壳（榴辉岩）随地幔上涌流返回上地幔并减压熔融，从而在大陆内部引发火山作用（图3）。
图3俯冲滞留板片撕裂诱发大陆板内火山作用卡通图
相关成果以The return of stagnant slab recorded by intraplate volcanism为题发表在国际一流综合性学术期刊PNAS今年第一期。我校地球科学与工程学院博士生周中彪为论文第一作者，西北大学地质学系陈立辉教授和我校地球科学与工程学院黄周传教授为论文共同通讯作者。参与研究的还有德国马普化学所的A. W. Hofmann教授、西北大学地质学系的王小均副教授和博士生赵键以及我校地球科学与工程学院的曾罡副教授和硕士生毕雅菁同学。该工作得到了国家自然科学基金（42130310和42322202）、中央高校基本科研业务费（2024300389）和国家重点研发计划（2022YFF0800701）的资助。
论文信息：Zhou, Z.-B., Chen, L.-H.*, Huang, Z.-C.*, Hofmann, A.W., Wang, X.-J., Zeng, G., Bi, Y.-J., Zhao, J., 2025. The return of stagnant slab recorded by intraplate volcanism. PNAS, 122(1), e2414632122.
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