近日，南方科技大学地球与空间科学系胡佳顺副教授课题组在Nature Geoscience发表题为“Segregation of a thermochemical anomaly and coalescence with a large low-velocity province”的研究论文。该研究以下地幔底部的堪察加异常体为切入点，对中等尺度热化学异常体的演化历史以及与大型低速异常体（LLVPs）的联系进行了探讨。
位于太平洋和非洲下方的两个大型低速异常体是下地幔中最重要的结构，它们约占核幔边界（CMB）面积的30%，在下地幔动力学中发挥着重要作用。然而，关于它们的稳定性一直存在争议。一些研究认为，这两个大型低速异常体在数亿年的时间里一直保持稳定；而另一些研究则认为，这些结构可能更具动态性，会像地球表面的大陆运动一样经历聚合和分散过程。作为大型低速异常体的主要地表表现形式，大火成岩省（LIPs）大多位于大型低速异常体的边缘地带，因此它们的位置也被用来研究大型低速异常体在地质历史上的稳定性。但是最近的研究表明利用大火成岩省的古地理位置依然较难区分LLVPs是否显著移动。另外，也存在一些远离LLVPs的大火成岩省，例如与黄石地幔柱有关的哥伦比亚河溢流玄武岩，它们和下地幔结构之间的联系尚不清楚。
图1 全球层析成像的投票图（a）和不同层析成像模型的剖面图（b-d）
基于上述问题，南方科技大学胡佳顺副教授课题组博士研究生张杰与导师胡佳顺副教授以及中国科学技术大学孙道远教授另辟蹊径，将目标转为中等尺度（~1000 km）热化学异常体，通过结合现有的层析成像模型和动力学数值模拟，来研究这些中等尺度异常体的演化历程，从而更好地约束下地幔热化学异常体之间的联动，以及下地幔的动力学过程。通过对现有的层析成像模型进行叠加，研究团队发现在下地幔底部有多个中等尺度低速异常体（图1）。其中最为显著的是位于欧亚大陆下方的Perm异常，以及位于堪察加下方的一个孤立的中等尺度异常体（命名为堪察加异常）。前人已用地震波波形分析推测Perm异常边缘的速度梯度，论证Perm异常是一个热化学异常体。波形分析也曾注意到堪察加下方低速体的存在，但该异常体的性质、起源和演化还存在很大争议。
研究团队进一步利用古地理约束下的全球地幔对流模型来研究堪察加异常的起源和演化。模型成功地预测了一个在规模和地理位置上与地震学观测到的堪察加异常相似的热化学结构，同时展示了堪察加半岛下方的热化学异常体从诞生到消亡的生命周期：在早中生代，由于特提斯、法拉隆以及蒙古-鄂霍茨克海的三面俯冲夹击，西伯利亚下方形成了一个古老的热化学异常体（图2a）；在白垩纪时，该异常体被伊邪那岐板块分割成两个不同的部分（图2b），西边的部分形成了今天所观测到的Perm异常，而东边的部分则形成了堪察加异常并向东南方向移动（图2c）；目前堪察加异常位于西北太平洋下方，正与太平洋下方大型低速异常体融合（图2d）。研究团队修改了热化学异常体的粘度和密度、板片和周围地幔的粘度等参数后重新进行模拟，得到的堪察加异常体演化历程大致相同。另外，大多数模型在白垩纪晚期堪察加异常向东运动的过程中预测了一个地幔柱的喷发。该地幔柱起源于堪察加异常，其喷发在地表形成一个大火成岩省，最后可能在堪察加下方俯冲重新进入地幔。由于观测资料的缺失，该地幔柱是否存在还有很大争议，需要来自地质学、地震学更多的资料进行验证。
板块重构对于下地幔动力学过程有着重要的影响，而西北太平洋区域板块历史的重建仍存在相当大的不确定性，主要原因是古太平洋大约 90% 的板块已经完全俯冲。与许多传统板块重构中的欧亚大陆下方长时间的“安第斯”型俯冲不同，最近的研究提出了更为复杂的板块历史，主张自白垩纪或中侏罗纪以来存在各种类型的洋内俯冲。在进一步的研究中，通过测试不同的板块重构历史发现，无论使用何种板块重构，堪察加异常的演化历史都是相同的，这一结果也证明上述演化过程的正确性。
此项研究结果表明堪察加异常和Perm异常是同源的。它们的演化突出了中等尺度热化学异常在控制地幔深部过程中的重要性，包括地幔柱的产生、热化学异常体之间的质量转移，同时也表明太平洋下方的大型低速异常体相对年轻，且正在经历着聚合的过程。模型还展示了热化学异常与俯冲板块之间错综复杂的相互作用，以及通过地幔柱的产生，深地幔与地表构造之间的密切耦合。
胡佳顺课题组博士研究生张杰为论文第一作者，胡佳顺副教授为论文通讯作者，论文合作者还包括中国科学技术大学的孙道远教授。该研究得到了科技部重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目和重大研究计划集成项目的资助。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01459-5
