近年来，随着地震层析成像分辨率的提升，人们对于地幔柱结构的理解有了更加深入的认识。前人研究指出，地幔柱可能起源于LLSVPs、具宽大的深下部结构（图1b, d），而最新的研究指出这种宽广的低波速异常可能并非一个整体，而是由多个分离的柱状低速异常体组成（图1c）。在更浅层位（~800-1200km），地幔柱可能变细或偏折（图1d）。地幔柱上升至地幔过渡带之下时，可能受到~660km深度相变的影响，在其上发育多个小型的分支，即分支型地幔柱（图1e, f）。尽管已有少量研究探讨了分支型地幔柱的形成条件，但分支型地幔柱引起的地表构造、岩浆响应形式仍不清楚。此外，部分挥发份（如水）可以降低地幔岩固相线，因而能够显著地影响地幔柱的流变、熔融行为。然而，当前同样缺乏针对起源于深下地幔的含水地幔柱的数值模拟研究。

图1. 不同研究中的地幔柱结构示意图。

针对以上问题，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队与中国科技大学、西班牙高等科研理事会海洋科学研究所的合作者，共同开展了系统的二维数值模拟研究工作，探讨了分支型地幔柱的产生条件及多种不同形态地幔柱引起的浅表地形及岩浆响应。同时，团队揭示了含水地幔柱在上升过程中产生的多层位熔融及水分演化，为理解多学科不同证据之间的联系提供了新认识。

数值模型中出现了四种地幔柱上涌形态：经典柱状、单分支型、多分支型和滞留型。研究表明，660km相变处较大的负克拉佩龙斜率和密度跳变有利于形成多分支型地幔柱。模拟结果显示，分支型地幔柱会在660km以下滞留较长时间，产生大于1500km宽的“薄饼状”结构，并随后在滞留结构上发育多个相对独立的小型分支（图3c）。单个小型分支可能远离深部初始上涌中心，分支之间相隔可以大于500km。每个分支独立产生地表抬升，最终形成整体范围可与柱状地幔柱相当、但隆起幅度较小（峰值~370–800m）、空间分散的多峰式地形。

图2. 假设地幔柱物质具有含水辉石岩固相线时，地幔柱的熔融事件时-空分布。

熔融方面，经典柱状和分支型地幔柱在上涌过程中均可以出现多期熔融。对于柱状地幔柱，地幔柱到达岩石圈底部的最初~2 Myr内，产生~1000km宽的广泛熔融，随即熔融迅速集中至上涌中心周围~200km宽的范围。经过约10-15 Myr后，可以再次出现大范围熔融，形成多期次的熔融演化特征（图2a）。分支型地幔柱则表现出不同的熔融模式。单个分支地幔柱物质到达岩石圈底部的最初~2-5 Myr，引起周围~200-500km区域的熔融，随即熔融中止，间隔~3-5 Myr后再次出现（图2b）。经分析，上述幕式熔融的出现是由地幔柱熔融残余物的堆积与再分布控制的（Liang Liu et al.，2025，SA；2025，NC）。地幔柱部分熔融产生的熔融残余物因温度降低（及含水量降低）会具有相对高的粘度。这些残余物堆积在岩石圈底部，导致局部岩石圈加厚，“盖层效应”阻止了地幔柱的进一步熔融，表现为柱状地幔柱模型中熔融范围的收缩和分支型地幔柱模型中的熔融间隔（图2a, b）。而地幔柱的持续上涌会将这层残余物推挤变薄，熔融得以重新发生。这一过程可以重复出现，从而形成幕式的岩浆活动（或者称为岩浆活动的复苏）。在分支型地幔柱中，由于各分支形成的熔融残余物层相对较薄，更容易受到后续上涌物质的推挤，因此期次之间的时间间隔也相对柱状更短。该机制为理解部分板内岩浆活动的短暂性或间歇性提供了新的动力学解释。如：部分大火成岩省表现出“短暂”的岩浆活动特征，即最初<2 Myr内产生广泛、大量熔融，随即进入较长的无岩浆期；又如，在夏威夷等部分地幔柱热点活动研究区，在造盾期、盾后期等主要岩基活动期之后，还存在有复苏期的岩浆活动等。

本研究还系统测试了水对地幔柱上涌及熔融行为的影响。除可以改变上涌模式（如使多分支型转变为单分支型）和引起更高的地表抬升外，水还能够使得地幔熔融模式更加复杂化。在采用含水辉石岩固相线的模型中，柱状和分支型地幔柱均出现4层熔融，分布在~70km、~110km、~260km和~400km深处，分别对应岩石圈地幔、贫辉石岩地幔、贫水含辉石岩地幔和含水及辉石岩地幔的熔融（图2c-2d、图3a）。模型预测的深部熔融层位，与地震学研究报道的低波速带深度范围具有对应关系（图3a）。多层熔融过程还可以帮助理解洋岛玄武岩源区的含水量远低于地幔柱深下地幔含量理论值的问题。由于水在熔融过程中具有强不相容元素的特点，上地幔底部的熔融（图3a）会导致地幔柱物质中水的快速丢失。

图3. 地幔柱所产生的熔融和地形响应示意图。

综上所述，本研究揭示，与经典柱状地幔柱形成的大尺度穹窿状隆起不同（图3b），分支型地幔柱可引起多峰、较不显著的地形起伏（图3c），以及空间分布零散、时间上具周期性的岩浆活动。研究还指出，当地幔柱在下地幔具有较大水含量的时候（1000 ppm），在上地幔可以产生3至4层的熔体或熔融残留物质的分布（图3a），并通过早期深部熔融使地幔柱物质显著脱水。研究结果还为识别自然界中可能存在的分支型地幔柱提供了新的思路：当深部地震成像显示地幔过渡带以下存在大规模滞留的低波速结构，且其下方具有向深部延伸的低波速异常时，这些结构可能代表分支型地幔柱的“根”。结合相应的地震结构与地表响应特征，可为识别分支型地幔柱提供综合依据。

研究成果发表于国际学术期刊Earth and Planetary Science Letters。三年级研究生龙时迈为本文的第一作者，刘亮研究员为本文通讯作者。本项研究受到中国科学院战略性先导科技专项B类项目（XDB0840200）、国家重点研发项目（2024YFF0808200、2024YFF0809600）及中国科学院大学生创新实践训练计划（2023）的联合资助。

论文信息：Shi-Mai Long（龙时迈），Liang Liu（刘亮）*，Junlin Hua（花君临），Wei Leng（冷伟）， Hong-Yan Li（李洪颜），Jason P. Morgan，Yi-Gang Xu（徐义刚），Earth and Planetary Science Letters, Volume 697，2027。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120450