《自然.社论》板块构造的深远影响：重塑我们对下地幔的认知——地幔非均质性的深层探索

原创 Lauren Waszek 元素和同位素地球化学 2024-05-13 08:08 北京

• Nature Editorial

• Published: 12 April 2024

地球下地幔中成分与结构的变化构成了一个复杂难题，而地震数据则为解答这一难题提供了线索。

板块构造理论解释了地幔对流与地表地壳相互作用的机制，但关于地幔深层组成与结构的许多问题仍未得到解答。地震通过释放P波和S波的形式，这些波能穿透地球内部。从震源到接收器的地震波旅行时间可用于推断波通过物质的特性。地震层析成像技术是描绘地球内部结构，特别是探索1000公里以下下地幔的最有效方法。

下地幔底部的地震波因速度异常而发生扭曲和偏转，揭示了由于复杂下地幔结构导致的地震异质性和异常慢速区域[1]。在本期内容及配套的《自然》系列最新研究成果集中，我们重点展示了高分辨率大规模地震成像阵列的日益普及，以及分析和数值模拟技术的改进，是如何为我们揭开这些神秘结构的面纱。

Credit: Adapted from D. Weis et al. Nat. Rev. Earth Environ. 4, 604–625 (2023); Springer Nature Limited

Lauren Waszek在评论中指出，观测和分析技术的发展揭示了下地幔中大小不一且内部结构复杂的地震异质性。大面积低速区（Large low-speed area，LLVP）和超低速带（Ultra-low speed belt，ULVZ）是下地幔中的结构，其中地震波相对于周围地幔异常缓慢移动。两个LLVP——下地幔中最显著的地震特征——分别位于非洲下方和太平洋下方[1]。它们比地幔其余部分更热且成分独特，可能有助于上涌羽流的形成。相比之下，ULVZ是位于地幔底部较小的特征。在与研究ULVZ的专家进行的问答中讨论到，它们的起源仍然神秘：尚不清楚它们是地幔中持久的特征、暂时的局部熔融，或是地核-地幔反应持续生成并被输运走的产物。不论其起源如何，它们的位置和结构显然受到地幔对流过程的影响。

即便有了地核-地幔边界的高分辨率地震图像，理解ULVZ仍然具有挑战性。ULVZ通常与下地幔底部的热异常相关的部分熔融有关[1]。然而，某些ULVZ远离下地幔最热区域，表明下地幔中存在短尺度的成分异质性[2]。有观点认为，下地幔中异常的地震速度可能源于全球分布的、不均匀的俯冲物质积累[2]。这可能意味着ULVZ和其他下地幔异常是大规模地幔对流循环的一部分。

解开ULVZ的起源及其在地球内部动态演化中作用的关键，可能在于它们与地幔对流的联系。本期一篇文章中，Wolf及其同事报告了位于喜马拉雅山脉下方的一个ULVZ。他们显示，这个ULVZ受到向西南方向的地幔流动影响，周围下地幔中强烈的地震各向异性（或地震波传播的方向性偏好）表明了这一点。他们将其归因于俯冲板块残余撞击地核-地幔边界的效应。尽管尚不清楚这种由板块驱动的地幔流动是正在进行的还是历史遗留的，但它暗示了ULVZ与板块构造之间的联系。

ULVZ的分布和位置也提供了启示。之前鉴定的大多数ULVZ位于LLVP的内部或边缘。然而，在本期另一篇文章中，Su及其同事在其他高速区域发现了ULVZ。基于地质动力学模拟的支持，他们提出，沉入下地幔的洋壳可能在地核-地幔边界积累，并在那里部分熔融。这部分熔融的洋壳可沿地核-地幔边界迁移，形成高速下地幔底部以及接近LLVP区域的ULVZ。

本期对ULVZ的研究进一步证明，板块构造的影响触及硅酸盐地球的每一个角落。地震层析成像虽然间接，但为我们提供了一扇观察这些神秘结构的窗口。结合矿物物理学和数值模拟，进一步的地震层析成像对于更好地理解下地幔的热化学状态至关重要。

References

1. McNamara, A. K. A review of large low shear velocity provinces and ultra low velocity zones. Tectonophysics 760, 199–220 (2019).

2. Hansen, S. E., Garnero, E. J., Li, M., Shim, S. H. & Rost, S. Globally distributed subducted materials along the Earth’s core-mantle boundary: implications for ultralow velocity zones. Sci. Adv. 9, eadd4838 (2023).

3. Cite this article

4. The ultra-lowdown on mantle heterogeneity. Nat. Geosci. 17, 271 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01432-2

5. 

Figure 1. Schematic illustration of lowermost mantle structures and their sampling due to SKS and SPdKS waveforms. SKS and SPdKS ray paths are drawn with source-side P-diffraction (cyan color lines) at the CMB at 110° and 130° epicentral distances（基于SKS和SPdKS波形的最下层地幔结构及其采样示意图。SKS和SPdKS射线路径是用源侧p衍射(青色线)在110°和130°震中距离的CMB上绘制）Minerals 2022, 12(7), 813; https://doi.org/10.3390/min12070813

地幔非均质性（Mantle heterogeneity）

地幔异质性涉及地球地幔中化学成分、温度及物理属性的空间非均匀分布，是地球内部动态演化的核心。地幔巨大，介于地壳与地核之间，其结构复杂多变，影响着板块构造、火山活动及地球整体动态。化学组成上的不均，如某些区域富含特定元素，与原始地球物质分布、板块俯冲及岩浆活动相关。温度差异导致地幔对流，形成热点和冷点区域，影响物质循环。地幔中存在特殊结构，如大面积低速省（LLVPs）和超低速带（ULVZs），它们的地震波速度异常，反映地幔深部复杂的热力和化学状态。这些特征与地幔流动、地壳运动及地核-地幔界面上的物质交换密切相关。地震波研究为揭示地幔异质性提供了重要手段，帮助科学家构建地幔结构模型，进而深入理解地球内部的运作机制及历史变迁。

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