地震学研究揭示，核幔边界存在两个地震波速明显降低的区域，称为大低速省。它们覆盖了核幔边界约30%的面积，向上延伸数百至上千公里高，是地幔内部最大规模的非均匀结构，反映地幔对流并未将地幔物质混合均匀，因此也是了解地球内部演化的重要窗口。但下地幔复杂的结构和高温高压环境为直接研究它们的性质和状态带来诸多挑战，导致对它们的形成和演化过程存在两类大相径庭的假说，即：大低速省是地球早期底部岩浆洋分异结晶的产物，或是俯冲到核幔边界的洋壳逐渐聚集的产物。但是地球化学研究揭示地幔深部存在原始物质储库，并提出大低速省可能是这些原始物质的源区，也得到了矿物物理研究的支持。地球动力学数值模拟则可以为研究和检验大低速省演化假说提供有效手段。
为了揭示基于原始地幔物质起源的大低速省长期演化特征，中国科学院地质与地球物理研究所研究团队通过构建自洽的三维全球地幔动力学演化模型，研究了大低速省的长期时空演化特征。研究结果显示，与周围地幔存在成分差异的大低速省可以长期存在于深部地幔而不与周围地幔发生混合。同时，成分差异的存在使得大低速省的移动速度也远小于周围地幔（图1）。而不存在成分差异（仅表现为温度异常）的“大低速省”水平移动速度与周围地幔相似，并无明显差别（图2）。通过对比说明存在成分异常的大低速省模型更符合观测。
图1 原始物质构成的大低速省模型演化45亿年的状态。a.粘度场、成分场、温度场结构; b.地幔平均水平移动速度（紫线）与大低速省平均水平移动速度（橙线）随深度的分布
图2 大低速省模型（不存在成分差异）演化45亿年的状态。a. 表面粘度场、温度场结构；b. 地幔平均水平移动速度与大低速省平均水平移动速度随深度的分布
进一步分析大低速省的空间分布演化特征，可以发现存在成分差异的大低速省在空间位置保持相对稳定的同时也会发生变形（时间尺度～500 Myrs），这种变形主要表现在边缘及形态的改变（图3）。源自深部的地幔柱主要形成于大低速省的边缘与顶部，相对于大低速省，这些地幔柱持续的时间更短（时间尺度为～10 Myrs），且时间-空间分布更加分散（图3）。这项研究验证了大低速省长期稳定存在的可能性，为地震学、矿物物理、地球化学等学科研究地幔内部结构状态和地幔混合效率提供了约束和参照，也是对未来开展地球多圈层系统耦合演化研究进行的有益尝试。
图3 不同模型6亿年以来大低速省与地幔柱的时空分布特征。参考模型（存在成分差异）大低速省和地幔柱随时间变化的分布特征（左侧两列）；对照模型（不存在成分差异）大低速省和地幔柱随时间变化的分布特征（右侧两列）
研究成果发表于国际学术期刊
Nature Communications
史志东，Ross N. Mitchell, 李杨*, 万博, 陈凌, 彭澎, 赵亮, 刘丽军, 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.
研究得到国家自然基金项目（42288201, 42325206, 42488201），中国科学院先导B项目（XDB0710000），以及中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201904, IGGCAS-202204)等共同资助。
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美编 | 陈永焱
校对 | 刘强
