研究背景

全球洋中脊系统是地球表面最主要的火山活动带，是探究地球内部过程的重要窗口。传统上认为在超慢速扩张洋中脊，熔体产量会显著减少，从而导致洋壳变薄甚至缺失，并保留强烈的成分不均一性。然而，在北极地区，全球扩张速度最慢的加克洋中脊（Gakkel Ridge，~10毫米/年；图1）却展现出令人费解的现象：其东部（31°E至100°E）地壳厚度从西段的~2公里急剧增加到东段85°E和100°E的7.5-8.9公里，并具有相对均一的地幔源区。这种低扩张速率与厚地壳之间的矛盾，以及对均一地幔源区的假设，要求我们重新评估在这种特殊背景下的岩浆过程。

图1 加克洋中脊海底地形图

研究成果

基于2021年8月北冰洋洋中脊国际联合考察计划（JASMInE），海底科学与划界全国重点实验室鲁江姑副研究员与王叶剑研究员（共同通讯）以及JASMInE团队等合作在加克洋中脊东段采集的玄武岩及玻璃样品发现：（1）在85°E和100°E的火山中心喷发的多孔状玄武岩玻璃具有高镁（MgO > 8.5 wt%）、异常高铝（Al₂O₃ > 17 wt%）的特征。这种“高铝玄武岩”的独特成分排除了地壳混染或高压结晶等过程的显著影响，直指其岩浆源自一个异常“饱满”的地幔；（2）热力学模拟结果显示沿加克洋中脊东段（31°E至100°E），不同火山中心下方的地幔潜在温度和熔融终止深度均非常相似，表明洋壳从西向东增厚的现象无法用地幔热状态和扩张速率（决定了熔融区间）的差异来解释；（3）综合地球化学数据沿加克洋中脊轴部的系统变化（图2），研究团队提出了加克洋中脊下方的地幔是由“饱满”和“难熔”两种地幔域混合而成的“拼图”， 从西向东，饱满地幔的比例逐渐增加。另外，数值模拟结果表明主动上涌主导了超慢速扩张洋脊的地壳增生，这种机制会放大幔源区饱满程度对熔体产率的影响（Zhang et al., 2024）。

基于上述认识，本文提出饱满与难熔地幔域比例的横向变化，最终“调制”了地壳厚度的差异（图3）。这一发现革新了对慢速/超慢速扩张洋脊岩浆作用机制的理解，强调了在评估洋脊动力学时考虑地幔化学不均一性的重要性。

图2 整个加克洋中脊玄武岩中不相容元素比值和同位素沿轴向的变化

图3 加克洋中脊东段（31-100°E）软流圈上涌概念示意图

深部饱满软流圈迁移至加克洋脊东端段（70-100°E），在强烈主动上涌作用下导致洋壳增厚；而研究区域西侧（31-70°E）由不同比例受交代的难熔地幔构成，主动上涌效应减弱，形成相对较薄的洋壳。

文章信息

研究成果近期发表在国际权威期刊《Earth and Planetary Science letters》。研究获国家自然科学基金项目（42330308，42372072）等资助。

Jianggu Lu*（鲁江姑）, Yejian Wang*（王叶剑）, Tao Zhang(张涛), William L. Griffin, Weiwei Ding（丁巍伟）, Yinxia Fang（方银霞）, Yanhui Dong（董彦晖）, Weiqi Zhang（张维骐）, Hanlin Wang（王涵林）, Suzanne Y. O'Reilly, Jiabiao Li（李家彪）. Source fertility modulates crustal thickness variation along the Gakkel Ridge. Earth and Planetary Science Letters, 2025(671), 119617.https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119617.

Reference：Zhang, T., Li, J., Niu, X., Ding, W., Fang, Y., Lin, J., Wang, Y., Zha, C., Tan, P., Kong, F., Chen, J., Wei, X., Lu, J., Dyment, J., Morgan, J.P., 2024. Highly variable magmatic accretion at the ultraslow-spreading Gakkel Ridge. Nature 633, 109-113.