岩石圈是地球的重要圈层，其结构和成分记录了地球长期的演化。研究发现，不管是有着25亿年历史的古老克拉通，还是年轻的地质块体，其岩石圈内部广泛发育一个岩石圈中部不连续面（Mid-Lithospheric Discontinuity, MLD），该界面在地球物理上表现为地震波速显著降低，可能伴随物质组成和流变强度突变，其形成机制是岩石圈结构研究长期悬而未决的核心难题。MLD 究竟如何形成？为何在全球克拉通广泛发育、随地质时代变新而出现频率降低？MLD 多变的埋深与横向不均匀几何形态是否存在统一动力学机制？

针对上述关键科学问题，南京大学地球科学与工程学院、关键地球物质循环与成矿全国重点实验室王孝磊教授团队，联合澳大利亚蒙纳士大学、中国地质大学（武汉）、北京大学、中科院地质与地球物理研究所、塔斯马尼亚大学等国内外多家单位，基于地幔对流数值模拟，建立了贯穿太古宙至现代的统一的岩石圈分层动力学成因模型。

图 1. 太古宙至今地幔温场条件下的地幔熔融响应机制。(A) 岩石圈-软流圈结构示意图；(B) 温度、(C) 地幔亏损程度 (F)、(D) 黏度 (η)、(E) 上升流体速度梯度 (-dvf/dy) 随深度的垂向剖面。灰/粉条带标记不连续面位置（B-E）。TBL：热边界层；CBL：化学边界层。

团队构建二维笛卡尔坐标系地幔对流数值模型，复现从太古宙高的地幔潜温（Tp ～1560 ℃）到现代低潜温（～1300 ℃）漫长地质历史中岩石圈的动态演化。模型耦合部分熔融、脱水控制流变、Drucker-Prager塑性流变等多类深部地质过程，定量评估不同地幔温度、岩石屈服强度对岩石圈内部分层结构的控制作用（图 1）。

图 2. 内聚力σ? = 5 MPa 模型在 380、390、420、460 Myr 的演化节点（A-D）。亏损地幔的亏损程度、应变积累分别由黄绿、白红色标表征；深绿、浅绿等值线分别圈定亏损地幔，以及 380 Myr 之后新生再循环亏损地幔。TBL 由 1450 ℃等温线界定；RDM，再循环亏损地幔。(E-H) 地温线（深红色）、固相线（黑线）及对应亏损程度 F（绿线）；(I-L) 沿 A-D 剖面虚线的积分应变（橙线）与黏度（蓝线）；红色虚线标记热边界层底界；E-L 中灰色箭头条带指示图1中的不连续面。

模拟结果揭示核心地质过程：地幔对流产生的拉伸使得岩石圈底部减薄，诱发深部减压熔融；当熔融程度＞2% 时，熔体抽离与脱水作用大幅强化残留地幔强度，导致其黏度较单纯温度控制的蠕变提高约 1000 倍，形成化学边界层（CBL）。持续的地幔拖曳使该化学边界层发生褶皱、倾斜、堆叠，最终固化形成岩石圈三层结构：古热边界层（Layer 0）、发育 MLD 的成分改造层（Layer 1）、底部热亚层（Layer 2）（图 2）。

图 3. 约 400 Myr，不同地幔潜温Tp、内聚力σ?条件下的演化模型：Tp=1560 ℃、σ?=5 MPa（A）；Tp=1560 ℃、σ?=50 MPa（B）；Tp=1430 ℃、σ?=5 MPa（C）；Tp=1300 ℃、σ?=5 MPa（D）。亏损程度、应变图例同图 2；黏度采用白蓝色标。紫色为地壳、灰色为再循环地幔，矢量表示速度场；温度等值线间隔 200 ℃。(E-H) 应变（橙线）与黏度（青线）；(I-L) 地震波速 Vs（粉色）、Vp（绿色）；(M-P) A-D 剖面 200 km 以浅，不连续面埋深统计直方图

该模型解决了长期存在的MLD全球性观测矛盾，这套熔融-流变分异机制在太古宙到现代的全部地幔温度区间均可发生，但是MLD在古老克拉通最普遍、且随地质演化出现频率逐步降低（图3）。模型预测 MLD 主要产出在 40–90 km 深度，局部最深可达 180 km，与全球地震探测结果匹配。模型同时复现 MLD 横向不均一、界面堆叠、倾斜等复杂几何形态，和北美、南美、坦桑尼亚、印度克拉通的深部结构观测一致。模型进一步指出，MLD 所在的低黏度带可成为岩石圈后期失稳、改造的薄弱带，为理解克拉通长期稳定性与克拉通破坏的深部诱因，提供新的动力学解释框架（图4）。

图 4. 克拉通岩石圈演化的动力学分层概念模型。(A) 化学边界层（CBL）形成于古热边界层（paleo-TBL）之下，内部保留非均质性（灰色）；(B) 岩石圈-软流圈边界（LAB,粗的白色线条）向 CBL 之下深度增加；(C) 长期冷却后分层定型：古热边界层（层0）、赋存 MLD 的化学边界层（层1）、底部热亚层（层2）。

本研究整合数值模拟、全球地质与地球物理观测资料，首次提出：岩石圈内部分层，是地幔对流驱动、贯穿地球历史的熔融与流变分异共同作用的结果。该理论统一阐释 MLD 成因，跳出过去多种独立、互不兼容的局部假说，同时还预示同类动力学过程可作用于火星等类地行星岩石圈演化，拓展了比较行星学的研究思路。

相关成果近期以“The layered structure of the lithosphere: from the Archean to the present day”为题在线发表于国际地球科学顶级期刊《Geology》。本论文第一作者为南京大学博士李林森（现就职于中海油上海分公司）。本工作是李林森在读博士期间在翟明国院士、王孝磊教授、蒙纳士大学 Fabio A. Capitanio 教授联合指导下完成的；同时得到了中海油蒋一鸣教授级高级工程师在研究过程中提供的有力支持。参加本工作的其他作者还有，蒙纳士大学Peter A. Cawood 教授、北京大学唐铭教授、中国地质大学（武汉）王振胜教授、塔斯马尼亚大学 Kate Selway 教授等。王孝磊和李林森是本论文的通讯作者。本研究由国家自然科学基金（42625207）、关键地球物质循环前沿科学中心以及澳大利亚研究委员会（FL160100168）联合资助，在此一并致谢。