地震學(xué)研究揭示，核幔邊界存在兩個(gè)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬則可以為研究和檢驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)通過構(gòu)建自洽的三維全球地幔動(dòng)力學(xué)演化模型，研究了大低速省的長(zhǎng)期時(shí)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(zhǎng)期存在于深部地幔而不與周圍地幔發(fā)生混合。同時(shí)，成分差異的存在使得大低速省的移動(dòng)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(dòng)速度與周圍地幔相似，并無明顯差別（圖2）。通過對(duì)比說明存在成分異常的大低速省模型更符合觀測(cè)。

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(chǎng)、成分場(chǎng)、溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu); b.地幔平均水平移動(dòng)速度（紫線）與大低速省平均水平移動(dòng)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(chǎng)、溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)；b. 地幔平均水平移動(dòng)速度與大低速省平均水平移動(dòng)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(duì)穩(wěn)定的同時(shí)也會(huì)發(fā)生變形（時(shí)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(duì)于大低速省，這些地幔柱持續(xù)的時(shí)間更短（時(shí)間尺度為～10 Myrs），且時(shí)間-空間分布更加分散（圖3）。這項(xiàng)研究驗(yàn)證了大低速省長(zhǎng)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?；旌闲侍峁┝思s束和參照，也是對(duì)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(shí)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(shí)間變化的分布特征（左側(cè)兩列）；對(duì)照模型（不存在成分差異）大低速省和地幔柱隨時(shí)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(xiàng)目（42288201, 42325206, 42488201），中國科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目（XDB0710000），以及中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目(IGGCAS-201904, IGGCAS-202204)等共同資助。

美編 | 陳永焱

校對(duì) | 劉強(qiáng)