地球的地幔被环太平洋俯冲带分割为非洲域和太平洋域，每个区域在下地幔中都包含一个大范围的低剪切波速省（LLSVP）。然而，这种半球规模的地幔结构如何与板块构造演化相联系仍不清楚。早期的地球化学研究表明存在南北半球分异现象，即南半球出现大规模地幔不均一性，被称为DUPAL异常。
为了深入理解这一问题，研究人员收集了来自洋中脊浅部地幔源区的海洋火成岩以及深部地幔柱相关样本（如大洋岛屿和大洋高原）的元素和同位素数据，并利用监督机器学习分类方法进行分析。结果表明，无论是浅部还是深部地幔源区的样本，都显示出一致的化学二元性特征。研究指出，现今浅部和深部地幔中的不均一性并非完全受制于南北半球的DUPAL异常，而是与非洲域和太平洋域及其相关的LLSVP之间的化学差异相符。
这些观察结果最合理的解释是，在过去的一亿年里经历了涉及两个超级大陆和两个超级大洋的构造超循环。这意味着地壳运动不仅塑造了地表的地形地貌，还深刻影响着地球内部的物质分布格局。构造活动通过板块俯冲、碰撞等过程促进了不同来源地幔物质之间的混合与再分配，形成了今天我们所观测到的地幔结构。因此，这项研究不仅增进了我们对当前地幔组成和结构的理解，也揭示了长期地质历史过程中地幔动力学演变的关键机制，对于认识全球尺度上的地球系统行为具有重要意义。
综上所述，这项研究通过对海洋岩石样品的综合分析，提出了一个新的观点来解释地幔内的化学差异：这种差异反映了两个主要地幔区域——非洲域和太平洋域之间长期存在的化学二元性，而不仅仅是简单地由DUPAL异常决定。同时，它支持了一个更为复杂的地球演化模型，其中包含了多次超级大陆的形成与解体周期，这对我们理解地球内部动力学及表面环境变化有着深远的影响。
这项研究对地球科学领域有以下几个重要的启示：
地幔化学结构的新认识：
研究揭示了非洲域和太平洋域之间存在显著的化学二元性，这不同于传统的南北半球DUPAL异常的观点。这种新的化学分异模式为我们理解地幔内部的物质组成和分布提供了新的视角。
通过分析浅部和深部地幔源区样本的数据，研究人员发现这些不均一性不仅存在于浅部地幔，也延伸到深部地幔，表明地幔中的化学差异是长期地质过程的结果。
构造超循环模型的支持：
研究结果支持了一种涉及多次超级大陆形成与解体的构造超循环模型。这种模型认为，在过去的一亿年里，地球经历了两个超级大陆（如盘古大陆和罗迪尼亚）和两个超级大洋的周期性变化。
这种周期性的构造活动导致了地幔物质的大规模混合与再分配，从而形成了今天我们所观察到的地幔结构。
板块构造演化的联系：
该研究强调了地幔结构与板块构造演化之间的密切联系。地幔中的化学差异可能是由长期的板块俯冲、碰撞和分离等过程引起的，这些过程不仅影响地表地形，还深刻改变了地幔的化学组成。
这种联系有助于我们更好地理解板块构造如何驱动地球内部的物质循环，并影响全球地质历史。
地球动力学的新见解：
通过对地幔化学二元性的研究，我们可以更深入地了解地球内部的动力学过程，包括地幔柱的形成、地幔对流以及地壳与地幔之间的相互作用。
这些新见解有助于改进地球动力学模型，提高我们对地球内部热力学和物质传输过程的理解。
地质历史重建的重要工具：
该研究使用的综合数据分析方法，特别是监督机器学习分类方法，为地质学家提供了一种强大的工具，可以用于识别和解释复杂的地质数据。
这种方法的应用不仅可以帮助我们更好地理解当前的地幔结构，还可以应用于其他地质问题的研究，如矿产资源勘探、地震预测等。
跨学科合作的重要性：
该研究结合了地球化学、地质学、地球物理学和计算科学等多个领域的知识和技术，展示了跨学科合作在解决复杂地质问题中的重要性。
未来的研究可能需要更多跨学科的合作，以进一步推动地球科学的发展。
总之，这项研究不仅增进了我们对地球内部结构和动力学的理解，还为未来的地质研究提供了新的方法和思路。它强调了长期构造活动对地球内部物质分布的影响，并为理解地球系统的整体行为提供了重要的线索。
参考文献：Doucet, L.S., Li, ZX. Large-scale mantle heterogeneity as a legacy of plate tectonic supercycles. Nat. Geosci. (2024).
