下地幔大低速省長期穩(wěn)定性研究|史志東等-NC

地震學(xué)研究揭示，核幔邊界存在兩個地震波速明顯降低的區(qū)域，稱為大低速省。它們覆蓋了核幔邊界約30%的面積，向上延伸數(shù)百至上千公里高，是地幔內(nèi)部最大規(guī)模的非均勻結(jié)構(gòu)，反映地幔對流并未將地幔物質(zhì)混合均勻，因此也是了解地球內(nèi)部演化的重要窗口。但下地幔復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高溫高壓環(huán)境為直接研究它們的性質(zhì)和狀態(tài)帶來諸多挑戰(zhàn)，導(dǎo)致對它們的形成和演化過程存在兩類大相徑庭的假說，即：大低速省是地球早期底部巖漿洋分異結(jié)晶的產(chǎn)物，或是俯沖到核幔邊界的洋殼逐漸聚集的產(chǎn)物。但是地球化學(xué)研究揭示地幔深部存在原始物質(zhì)儲庫，并提出大低速省可能是這些原始物質(zhì)的源區(qū)，也得到了礦物物理研究的支持。地球動力學(xué)數(shù)值模擬則可以為研究和檢驗大低速省演化假說提供有效手段。

為了揭示基于原始地幔物質(zhì)起源的大低速省長期演化特征，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究團(tuán)隊通過構(gòu)建自洽的三維全球地幔動力學(xué)演化模型，研究了大低速省的長期時空演化特征。研究結(jié)果顯示，與周圍地幔存在成分差異的大低速省可以長期存在于深部地幔而不與周圍地幔發(fā)生混合。同時，成分差異的存在使得大低速省的移動速度也遠(yuǎn)小于周圍地幔（圖1）。而不存在成分差異（僅表現(xiàn)為溫度異常）的“大低速省”水平移動速度與周圍地幔相似，并無明顯差別（圖2）。通過對比說明存在成分異常的大低速省模型更符合觀測。

圖1原始物質(zhì)構(gòu)成的大低速省模型演化45億年的狀態(tài)。a.粘度場、成分場、溫度場結(jié)構(gòu); b.地幔平均水平移動速度（紫線）與大低速省平均水平移動速度（橙線）隨深度的分布

圖2大低速省模型（不存在成分差異）演化45億年的狀態(tài)。a. 表面粘度場、溫度場結(jié)構(gòu)；b. 地幔平均水平移動速度與大低速省平均水平移動速度隨深度的分布

進(jìn)一步分析大低速省的空間分布演化特征，可以發(fā)現(xiàn)存在成分差異的大低速省在空間位置保持相對穩(wěn)定的同時也會發(fā)生變形（時間尺度～500 Myrs），這種變形主要表現(xiàn)在邊緣及形態(tài)的改變（圖3）。源自深部的地幔柱主要形成于大低速省的邊緣與頂部，相對于大低速省，這些地幔柱持續(xù)的時間更短（時間尺度為～10 Myrs），且時間-空間分布更加分散（圖3）。這項研究驗證了大低速省長期穩(wěn)定存在的可能性，為地震學(xué)、礦物物理、地球化學(xué)等學(xué)科研究地幔內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)和地幔混合效率提供了約束和參照，也是對未來開展地球多圈層系統(tǒng)耦合演化研究進(jìn)行的有益嘗試。

圖3不同模型6億年以來大低速省與地幔柱的時空分布特征。參考模型（存在成分差異）大低速省和地幔柱隨時間變化的分布特征（左側(cè)兩列）；對照模型（不存在成分差異）大低速省和地幔柱隨時間變化的分布特征（右側(cè)兩列）

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊

Nature Communications

史志東，Ross N. Mitchell, 李楊*, 萬博, 陳凌, 彭澎, 趙亮, 劉麗軍, 朱日祥. Sluggish thermochemical basal mantle structures support their long-lived stability [J]. Nature Communications, 2024,15:10000. DOI:10.1038/s41467-024-54416-6.

研究得到國家自然基金項目（42288201, 42325206, 42488201），中國科學(xué)院先導(dǎo)B項目（XDB0710000），以及中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目(IGGCAS-201904, IGGCAS-202204)等共同資助。

美編 | 陳永焱

校對 | 劉強(qiáng)