俯冲板片-地幔楔最大解耦深度的流体控制机制

近日，中国科学院深海科学与工程研究所副研究员程南飞团队与合作者，通过高温高压实验模拟研究，揭示了滑石的交代脱水反应可能是控制俯冲板片与地幔楔之间最大解耦深度（maximum depth of decoupling，MDD）的关键机制。相关成果发表于《通讯-地球与环境》（Communications Earth & Environment）。

冷俯冲带剖面示意图。研究团队供图

板块俯冲是深渊海沟形成和分布的根本原因。俯冲带动力学中一个重要的科学问题是：什么控制着俯冲板片与地幔楔之间的最大解耦深度——这一全球观测到的、将冷的刚性弧前地幔与热的对流弧下地幔分隔开的边界？

滑石广泛分布于俯冲板片与上覆地幔楔之间的界面处。作为含水矿物，滑石也是已知最软的矿物，不仅在俯冲带深部水循环中扮演重要角色，还对俯冲板片与地幔楔之间的界面起到润滑作用。因此，滑石在俯冲带中的稳定范围和脱水深度至关重要。

以往对滑石最大稳定极限的评估，大多基于富硅的理想化条件，所得脱水温度约为800 ℃，对应俯冲深度最深可达160 km。然而，在真实的自然俯冲带界面中，滑石常与蛇纹石和橄榄石共生，处于一种富水、低硅的复杂流体环境中。这种环境下的滑石脱水行为及其地球动力学效应，长期以来缺乏直接的实验约束。

为此，研究团队开展了高达33.8 kbar和875 ℃的原位高温高压实验，并与热力学计算结果进行了对比。结果表明，在富水、低硅环境中，滑石会发生一种特殊的交代脱水反应，生成镁橄榄石和含硅的水溶液流体，而非传统认为的顽火辉石、石英/柯石英和水。该反应将滑石脱水边界显著下移——在10 kbar压力下约为705 ℃，在30 kbar压力下约为650 ℃，比传统石英饱和模型预测的温度低90-170 ℃，将滑石脱水深度推至约80 km。这一深度与全球观测到的MDD深度高度一致，适用于从马里亚纳到卡斯卡迪亚等全球冷、热俯冲带。 该成果为理解俯冲带动力学机制提供了全新的实验约束。