科马提岩是主要产于太古宙地体中的超镁铁质岩，一直被视为是认识早期地球地幔温度、物质循环和地幔动力学的重要窗口。然而，科马提岩的形成究竟是否需要异常高温的无水地幔柱，水在其成因中又扮演了怎样的角色？长期以来一直是地球科学领域备受关注的问题。
近日，地化所关键矿产成矿与预测全国重点实验室郭新转研究员团队在Earth and Planetary Science Letters上发表一项最新研究成果，系统揭示了在含少量水条件下地幔橄榄KLB-1在3–9 GPa压力范围内的熔融行为，为科马提岩的成因提供了新的解释，挑战了传统的“无水超高温”成因观点。该研究通过高温高压实验发现，地幔中即使仅含微量水，也足以显著降低橄榄岩的熔融温度、改变熔融过程并促进深部岩浆生成。这一发现意味着，科马提岩未必形成于极端高温的无水地幔柱环境，而可能与太古宙地球深部含水储库的存在密切相关，对深入认识早期地幔热状态和深部水循环具有重要科学意义。
科马提岩曾普遍认为其形成于异常高温的无水地幔柱熔融的环境，要求地幔潜在温度超过1800 ℃。然而，近年来日益增多的地球化学证据提示水可能在其成因中扮演了关键角色。KLB-1橄榄岩作为未亏损地幔成分的典型代表，已被广泛用于无水条件下的岩浆成因模拟研究。然而，中等含水量（1000–5000 ppm H2O）这一范围可能更能代表地幔柱源区的实际含水状况，而非完全水饱和或完全干燥的体系，对其熔融行为的影响仍未得到充分量化。此前的实验研究主要聚焦于与深部地幔柱熔融不相符的低压条件（<3 GPa），要么采用简化的合成体系，从而忽略了天然熔体的成分演化趋势。尤为关键的是6–9 GPa的压力范围，代表了含水科马提岩形成的重要但尚未被探索的温压区间。
针对这一问题，研究团队在3–9 GPa、1573–2323 K的条件下，对含水量为0.1–0.5 wt%的KLB-1橄榄岩开展了系统的熔融实验。研究发现，仅0.1 wt%的地幔水含量即可使科马提岩的形成温度比无水模型降低150 ℃（图1），且能显著提高熔体生成效率，并改变熔体的成分演化趋势。进一步的对比显示，在特定高压条件下形成的含水熔体，其主量元素特征与天然科马提岩高度吻合，表明含水地幔熔融完全有可能生成典型的科马提质岩浆。
基于实验结果，作者提出，科马提岩可以由上升地幔柱中的含水橄榄岩在深部发生减压熔融而形成（图2）。与传统模型相比，这一新认识不再要求地幔柱具有极端高温，而是强调了少量水在降低熔融门槛、促进熔体生成方面的关键作用。该成果挑战了经典的“无水超高温成因”观点，为重新认识太古宙地幔热状态和深部水循环提供了新的实验依据。
这项研究表明，水在深部地幔演化中可能具有比以往认识更重要的作用。即使是微量水，也可能对地幔熔融过程、岩浆性质以及早期地球动力学产生深远影响。相关成果不仅有助于深化对科马提岩成因的理解，也为认识早期地球内部的水循环和地幔柱活动提供了新的视角。
本研究在地化所完成，宋雨萍博士研究生为论文第一作者，郭新转研究员为通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院地球化学研究所公共技术服务中心的支持。
论文信息：
Song Yuping, Zhai Kuan., Song Yunke, Yan Xinxin, Huang Yepeng, Guo Xinzhuan*, 2025. Hydrous melting of KLB-1 peridotite at 3–9 GPa: Implications for komatiite genesis and Archean mantle dynamics. Earth and Planetary Science Letters 669, 119574. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119574
图1. 含水橄榄岩 KLB-1的液相线（红色实线）与固相线（黑色实线）。
图2. 科马提岩岩浆生成模型。上升的地幔柱在减压过程中产生热量（路径A-B），科马提岩岩浆可沿约180 km深处的橄榄岩固相线生成。科马提质部分熔体形成后，从源区分离（B）并上升至地表（路径B–C）。
（关键矿产室/供稿）