《Nature Communications》：Weak mantle wedge causes mantle exhumation punctuated with discrete oceanic crust in the Tyrrhenian basin
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为解决第勒尼安海盆大陆-大洋转换带(COT)在快速扩张(4-6 cm/yr)和肥沃地幔源区背景下仍出现地幔剥露与离散洋壳交替产出的矛盾现象，苏浩等人通过三维岩浆-热力学模拟揭示了软弱地幔楔的关键控制作用。研究表明含水弱化地幔会形成折返通道，诱发部分熔融地幔流向通道，导致多期短寿命扩张中心的跃迁。该模型为俯冲带控制的边缘海盆COT形成机制提供了新范式。
在地球科学领域，大陆如何裂解并最终演变为大洋一直是个核心谜题。传统理论认为，在岩浆贫瘠型大陆边缘，地幔剥露通常发生在大洋地壳形成之前，且需要缓慢的扩张速率（<0.6厘米/年）或化学贫瘠的地幔源区。然而，地中海第勒尼安海盆的发现却向这一经典模型发起了挑战——这个年轻海盆的大陆-大洋转换带不仅记录了大规模地幔剥露，还穿插着多期离散的洋壳形成事件，更令人费解的是，该海盆形成时的扩张速率高达4-6厘米/年，且地幔源区具有化学肥沃特征。这种“不协调”的地质现象犹如一把钥匙，可能开启对边缘海盆形成机制的新认识。
为了破解这一谜题，中国科学技术大学苏浩、冷伟与中山大学廖杰等研究人员在《Nature Communications》发表论文，通过高分辨率三维岩浆-热力学数值模拟，揭示了软弱地幔楔控制下的独特动力学过程。研究发现，俯冲板块脱水形成的含水地幔楔具有极低的流变强度，在伸展作用下会优先形成地幔折返通道。低密度、低粘度的部分熔融地幔物质会向这些通道流动，从而在折露的地幔岩之上依次形成多个短寿命的扩张中心。这一机制完美解释了第勒尼安海盆中地幔剥露与离散洋壳间歇性产出的耦合现象。
研究人员采用的关键技术方法主要包括：基于I3ELVIS代码的三维热力学模拟，该代码采用有限差分和标记点法求解质量、动量和能量守恒方程；引入粘塑性流变模型，模拟岩石圈的脆塑性变形；通过参数化熔融模型计算地幔部分熔融程度；采用“粘性空气层”技术实现自由表面边界条件。模型域尺度达584×808×270公里，分辨率2×2×2.5公里，使用超过2.4亿个拉格朗日标记点追踪材料演化。
软弱地幔触发地幔折返与离散洋壳形成
数值模拟结果显示，在参考模型（摩擦系数μ=0.001）中，软弱地幔区的存在根本改变了裂谷演化模式。伸展开始后2.09百万年，岩石圈减薄和软流圈上涌集中在软弱地幔区上方，形成两个高应变率的折返通道。岩石圈地幔沿通道折返至海底表面，随后部分熔融地幔向通道流动，在折露地幔之上形成首个扩张中心。随着伸展持续，东南缘的折返通道保持活跃，导致熔融地幔持续向通道输送，依次形成新的扩张中心。至4.57百万年，系统最终过渡为稳态洋脊扩张，年轻扩张中心保持活跃而老中心被废弃。这一过程成功再现了自然界中观察到的多期洋壳就位现象。
关键参数控制系统行为
参数敏感性分析揭示了控制该过程的关键因素：当软弱地幔摩擦系数从0.1降至0时，折返通道寿命延长，地幔剥露面积和洋壳就位事件显著增加；软弱区宽度从20公里增至50公里时，系统从单一稳定洋脊发展为多扩张中心跃迁；软弱区厚度从20公里增至50公里时，地幔剥露程度明显增强。此外，扩展速率从4厘米/年降至3厘米/年会抑制减压熔融，导致仅形成单一扩张中心，这与第勒尼安海盆东北部低速扩张区的实际观测吻合。
对岩浆贫瘠型裂谷作用的新认识
这项研究挑战了传统认知：快速伸展通常导致对称纯剪切变形，抑制地幔剥露。但软弱地幔区的存在使快速扩张背景下也能形成折返通道，实现地幔剥露。这与第勒尼安海盆瓦维洛夫次海盆的观测一致（扩张速率4-6厘米/年仍出现大规模地幔剥露）。更重要的是，模型揭示了一种新型大陆-大洋转换带形成模式：地幔剥露与短期扩张中心交替出现，而非传统认为的先后顺序。这种机制可能普适于受俯冲影响的边缘海盆（如班达海、冲绳海槽），因其普遍发育含水弱化地幔。
扩张中心向海沟跃迁的新机制
研究还为边缘海盆常见的扩张中心向海沟跃迁现象提供了新解释。不同于以往提出的幕式海沟后退或地幔柱驱动等机制，该模型强调软弱地幔区引发的应变局部化主导了这一过程：折返通道作为高应变区吸引熔融地幔流向，导致扩张中心依次向海沟方向跃迁，老中心随物质转移而废弃。
该研究通过创新性的数值模拟，首次系统阐明了软弱地幔楔在控制大陆-大洋转换带形成过程中的核心作用，为理解俯冲带相关边缘海盆的演化提供了新范式，对认识全球类似地质构造的形成机制具有重要启示。
