对于热对流而言，有上升必然会有下降；对于地幔对流而言，上升流和下降流并不是均衡的，并且会受到地幔温度的影响。那么，地球上的地幔对流究竟是平衡的，还是非平衡的？是自上而下还是自下而上为主？又或者与时间相关？地幔岩石学证据表明，早期地幔对流模式以上升流为主导，来自地幔地核界面的上升地幔柱控制地幔对流。随着时间的推移，俯冲板块在地幔对流中起到更为重要的作用。现今地幔对流演变为以下降流为主导的模式。地幔对流模式的转变为我们认识地幔提供了关键的地质约束。

Xu Liu TheInnovation创新 2022-10-14 00:01

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图1 地幔对流示意图（Credit: BBC, Earth: The Power Of The Planet）

地球地幔对流的动力学模式一直都是充满争议的。中国科学院地质与地球物理研究所Ross N. Mitchell和马里兰大学Michael Brown等学者研究发现，以上升流为主导和以下降流为主导的模式在不同地质历史时期均曾发生过，并且这种不对称对流模式会随时间改变，同时，地幔的温度、黏度和密度也会随时间推移而发生改变。

来自不同时期的深部地幔岩石丰度完全不同。本研究选取了三类典型研究对象：科马提岩、斜长岩和金伯利岩（图2）。科马提岩（Komatiite）是一类地球早期超镁铁质火山岩，代表着地球最热的初级地幔熔体，地幔潜温高达1550℃，主要形成于34—18亿年期间，被认为是地幔柱的产物，地幔柱是来自核幔边界的上升地幔流。金伯利岩（Kimberlite）是一类岩石圈地幔熔融形成的地幔岩石，往往形成于大陆裂谷中，可以把大陆岩石圈底部高压环境下形成的金刚石带到地表。金伯利岩随着时间的推移不断增加，在2.5-0.5亿年间发生了“金伯利岩大爆发”事件。在科马提岩匿迹之后至金伯利岩爆发之前，存在长达10亿年的静寂期（18—8亿年前），被称为“boring billion（枯燥的十亿年）”，在此期间，地球的地幔活动急剧减少，而在这段时间出现的斜长岩（Anorthosite）填补了地幔活动的空白。在成因上，斜长岩被认为是玄武质岩浆在莫霍面（地壳-地幔边界）变压分离结晶的产物。

图2 科马提岩、斜长岩、金伯利岩照片

上述3种地幔岩石的丰度变化揭示了不同阶段地幔状态。早期地球富含科马提岩，表明此时地幔具有较高的潜能温度以形成频繁的地幔柱，此时地幔以上升流为主导。但随着地幔的冷却和俯冲作用的增加，地球科马提岩活动逐渐减少，从18亿年前至今鲜有记录。进入地球10亿年静寂期，科马提岩和金伯利岩分布都极其稀少，远离科马提岩和金伯利岩区而广泛分布的斜长岩成为了地幔岩石的主导，也代表此时地幔处于对流平衡阶段。最早的高压变质作用和超高压变质作用，代表最早的俯冲作用的开始（图3）。随着全球板块构造的启动，与俯冲相关的金伯利岩随之增加，代表着下降流占据了对流的主导地位。尤其是从2.5亿年前至今，地球正处在俯冲板块控制的下降流阶段。

图3 地质历史时期地幔岩（科马提岩、斜长岩、金伯利岩）丰度变化表明地幔对流模式从以上升流为主导到以下降流为主导的转变

地幔对流是核幔边界与壳幔边界的温差导致的，虽然对流需要质量平衡，但并不代表力的平衡。当上升流占主导时需要有更高的热异常和上升速度，早期地球广泛出现的科马提岩正反映了这一特征。而现今地球则是以强烈的俯冲下降流控制地幔对流，与俯冲作用相关的金伯利岩的增加证明了俯冲作用的增强。本研究推测，地幔接下来的对流模式将会是停滞盖层模式，即刚性的地表不再参与深部地幔循环，类似于如今的金星和火星。

图4 温度控制着地幔对流模式。(a)当模型被基底加热时，上升流（浅色）和下降流（深色）是相当的；(b)当整体冷却强于基底加热时，下降流（浅色）占主导；(c)当整体冷却比基底加热强得多时，上升流几乎不再显示；(d)相比于(b)降低了黏度仍表现出同样的特征（Credit: Elsevier 2, 7; 2015）

总结与展望

地幔岩石类型的转变表明：随着时间的推移，地球地幔对流模式发生了从下而上到从上而下的转变，但理解地幔黏度和密度对地幔对流的影响仍然是困难的。本研究中不对称地幔对流的过渡为地幔动力学研究提供了关键的地质约束，也为进一步研究地幔性质如何随着时间演变提供了新的思路。

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Commentary发表的“Evolving mantle convection from bottom up to top down” (投稿: 2022-05-29；接收: 2022-08-30；在线刊出: 2022-09-05)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100309

引用格式：Mitchell R., Brown M., Gernon T., et al. (2022). Evolving mantle convection from bottom up to top down. The Innovation. 3(6),100309.

原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00105-9

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