地幔的粘度在地球的热化学演化历史中扮演着重要角色。其可以显著影响地幔柱的上升和俯冲带的下沉，进而影响地球内部的物质交换和能量传输。通过对大地水准面反演，冰后回弹数据分析以及全球地幔对流模型，一般认为地幔在660 km深度有一个大约10-100倍的粘度跳变（Richards & Hager, 1984）。另外，一些学者也提出在地幔过渡带的底部还可能存在一个几十公里厚的低粘度层 (Mitrovica & Forte, 2004)，它可以使地幔柱在上地幔形成树状结构 (Liu & Leng, 2020)，而该层是否对俯冲带在地幔过渡带中躺平具有重大影响，目前还存在较大的争议（Mao & Zhong, 2018；Li et al., 2019）。此外，最新的一些研究提出在660 km-1000 km深度存在一个低粘度层（Rudolph et al., 2015; 2020）。这个低粘度层可以很好地解释地幔柱和俯冲带在该深度的偏移和躺平以及下地幔存在的一些离散的板块（Rudolph et al., 2015; Grima et al., 2020）。这使得地幔粘度结构变得更加扑朔迷离。
在“中深源地震在地球动力学中的应用（一）”中，我们提到俯冲带中孕育的地震为全球俯冲带变形状态提供了唯一的约束。通过对全球俯冲带中中深源地震的分析可以发现：西太平洋俯冲带孕育的地震以整体的挤压为主，例如汤加俯冲带；而东太平洋俯冲带由于存在浅部的平板俯冲，孕育的中源地震以拉张为主，而深源地震以挤压为主，例如智利俯冲带（Alpert et al., 2010；图1）。此外，另外一个重要的观测是全球俯冲带上方的长波长（> 5000 km）的大地水准面均表现为正异常，振幅高达30-40 m。前人的研究已经证明，这种正异常是由于俯冲带引起的粘度的横向不均一所导致的（Moresi & Gurnis, 1996）。
为了进一步厘定地幔的分层粘度结构，近日中国科学技术大学地空学院冷伟教授研究团队联合美国加州理工学院地震实验室Michael Gurnis 教授, 建立了一系列的随时间演化的俯冲带动力学模型，并在660 km深度或1000 km深度考虑多种粘度跳变模式（增加或者递减），通过计算俯冲带内部的应力状态，并与全球俯冲带内部地震的震源机制解以及长波长大地水准面进行对比，结果发现660 km-1000 km 深度的低粘度层会明显增大俯冲带内部的拉张应力和俯冲角度，从而抑制平板俯冲的产生（图2和图3），同时大大降低俯冲带上方的大地水准面的高度，使其只有10 m左右（图4）。因而，这一系统性的研究否定了地幔在660 km-1000 km深度存在低粘度层 (Liu et al., 2021)。这一结果对进一步解释地震学观测和理解地球内部的热化学演化具有重要的科学意义。
该成果近期以“Constraints on Mantle Viscosity from Slab Dynamics” 为题发表于国际地学一流期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。中国科学技术大学地空学院刘浩博士为该论文的第一作者和通讯作者。该项研究得到国家留学基金委、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导专项以及美国国家自然科学基金委的支持。
图1. （a）俯冲带上方的长波长大地水准面（4-12度）的异常分布。（b）西太平洋主要俯冲带内部的地震分布以及 P轴方向（蓝色短线）。
图2. 俯冲带在过去40个百万年的形态演化以及长波长大地水准面的高度。红色短线代表俯冲带内部的主压应力。（a）-（d）地幔粘度在660 km有一个30倍的粘度增加。（e）- （h）地幔粘度在660 km-1000 km深度有一个10倍的粘度递减。
图3. 在不同的地幔粘度结构下，统计的俯冲带随时间演化过程中，在100-300 km深度的平均应力（a）- （c）和残差角度（d）-（f）（实际俯冲角度减去40度）。纵坐标代表后尖晶石相变的克拉佩龙斜率。横坐标代表粘度跳变，（a）和（d）地幔的粘度在660 km深度增加10倍、30倍和100倍。（b）和（e）地幔粘度在660 km深度递减10倍、30倍和100倍。（c）和（f）地幔粘度在660 km深度递减10倍，而在1000 km深度增加10倍、30倍和100倍。DC代表挤压应力，DT代表拉张应力。可以发现当660 km-1000 km深度存在低粘度层时会明显增大俯冲带在浅部的拉张应力和俯冲角度。
图4. （a）-（c）俯冲带上方的长波长的大地水准面的最大值随时间的演化。其克拉佩龙斜率均为 -1.5 MPa/K。图中标注的粘度跳变同图3. （d）-（f）在不同的地幔粘度结构下，统计的俯冲带随时间演化过程中，上方长波长大地水准面最大值的平均值。横纵坐标同图3。可以发现当660 km-1000 km深度存在低粘度层时会大大降低俯冲带上方大地水准面的振幅。
参考文献
Alpert, L. A., Becker, T. W., & Bailey, I. W. (2010). Global slab deformation and centroid moment tensor constraints on viscosity. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 11(12).
Liu, H., & Leng, W. (2020). Plume‐Tree Structure Induced by Low‐Viscosity Layers in the Upper Mantle. Geophysical Research Letters, 47(1), e2019GL086508.
Liu, H., Gurnis, M., & Leng, W. (2021). Constraints on Mantle Viscosity from Slab Dynamics. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, e2021JB022329.
Li, Z. H., Gerya, T., & Connolly, J. A. (2019). Variability of subducting slab morphologies in the mantle transition zone: Insight from petrological-thermomechanical modeling. Earth-Science Reviews.
Mao, W., & Zhong, S. (2018). Slab stagnation due to a reduced viscosity layer beneath the mantle transition zone. Nature Geoscience, 11(11), 876-881.
Mitrovica, J. X., & Forte, A. M. (2004). A new inference of mantle viscosity based upon joint inversion of convection and glacial isostatic adjustment data. Earth and Planetary Science Letters, 225(1-2), 177-189.
Moresi, L., & Gurnis, M. (1996). Constraints on the lateral strength of slabs from three-dimensional dynamic flow models. Earth and Planetary Science Letters, 138(1-4), 15-28.
Richards, M. A., & Hager, B. H. (1984). Geoid anomalies in a dynamic Earth. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 89(B7), 5987-6002.
Rudolph, M. L., Lekić, V., & Lithgow-Bertelloni, C. (2015). Viscosity jump in Earth’s mid-mantle. Science, 350(6266), 1349-1352.
Rudolph, M. L., Moulik, P., & Lekić, V. (2020). Bayesian Inference of Mantle Viscosity From Whole‐Mantle Density Models. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 21(11), e2020GC009335.
Grima, A. G., Lithgow-Bertelloni, C., & Crameri, F. (2020). Orphaning Regimes: The missing link between flattened and penetrating slab morphologies. Frontiers in Earth Science, 8.