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地震學觀測顯示地球核幔邊界廣泛分布超低速帶（ULVZ），其高度5-100公里，橫向大小為10-100公里，橫波波速降達5%-30%。ULVZ由于其特殊的物理性質(zhì)，被認為有可能代表了地球冷卻過程中殘余的原始巖漿洋結晶、俯沖物質(zhì)或部分熔融。大多數(shù)現(xiàn)有觀察到的ULVZ似乎聚集在下地幔大尺度低速體（LLVP）的邊緣，表明這些ULVZ的形成與LLVP有關。地表上一些典型的熱點，如夏威夷、冰島等，均被認為與ULVZ存在密切關系，而地幔柱可能把這些化學異常的信息攜帶到地表，因此ULVZ的詳細特征在地球演化研究中有特殊意義。同時，ULVZ的形成與俯沖板片以及LLVP的相互作用密切相關，探究LLVP的具體邊界、ULVZ的三維幾何結構以及LLVP與ULVZ的空間關系，對認識地球下地幔的動力學演化至關重要。近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院孫道遠教授課題組聯(lián)合瑞士伯爾尼大學Dan J. Bower，獲得了位于北太平洋下方迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大尺度的ULVZ的三維結構。2月24日，相關成果以“Slab control on the mega-sized North Pacific ultra-low velocity zone”為題，發(fā)表于綜合學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

已有研究指出，太平洋LLVP的北部邊界存在超大尺度柱狀ULVZ（圖1）（Cottaar and Romanowicz，2012），但由于缺乏南-北方向的數(shù)據(jù)，因此該ULVZ的位置、大小和橫波速度擾動之間存在很大的不確定性。自2016年以來，隨著阿拉斯加地區(qū)臺站數(shù)量的不斷增加，使得我們有機會利用南-北和東-西兩個方向的地震數(shù)據(jù)來共同約束該區(qū)域內(nèi)LLVP的具體邊界與ULVZ的三維結構。

圖1 LLVP的邊界與超大尺度ULVZ的三維結構。黑色和紅色虛線分別表示前人研究中S波與P波的LLVP北部邊界，虛線8表示本次研究中的LLVP北部邊界。虛線7表示大尺度柱狀ULVZ(Cottaar and Romanowicz, 2012)，陰影9表示本次研究中的超大尺度ULVZ。注意在LLVP北部與東北部邊緣處存在兩處高速區(qū)域。它們被認為是古老的俯沖板片（paleo-slab）在下地幔底部的殘留。

通過對兩個方向上不同地震波震相到時的測量，確定了太平洋LLVP北部邊界處的高度（～900千米）、LLVP內(nèi)部的橫波速度擾動以及LLVP向北傾斜的邊界特征（圖2）。進一步利用波形擬合的方法，解決了ULVZ幾何尺寸和速度之間的互易性，得到了超大尺度ULVZ的三維結構（圖1和圖3），其尺寸約為1500×900千米，高度～50千米，S波波速降為10%。根據(jù)ULVZ內(nèi)部的橫縱波速度擾動比值，我們認為它是由化學異常造成的。此外，地震數(shù)據(jù)還表明LLVP的外部存在高速區(qū)域，結合前人的研究(He and Wen, 2012)，認為其對應了古老俯沖板片在下地幔底部的殘留。

圖2 南-北剖面上太平洋LLVP北部邊界結構。紫色線描繪了我們推斷的LLVP形態(tài)，它具有向北傾斜的特征。

結合本文中LLVP、ULVZ以及古老俯沖板片的位置關系，我們對超大尺度ULVZ的形成提出假說：太平洋LLVP的北部邊界處存在長期的、穩(wěn)定的、由俯沖板片主導的水平地幔匯聚流，小尺度的ULVZ在地幔流的作用下不斷在LLVP的邊緣處累積，最終形成我們現(xiàn)在探測到的超大尺度ULVZ（圖3）。同時，由于地幔流的作用，LLVP也形成了向北傾斜的形態(tài)。相比之下，太平洋LLVP東北緣探測到的小尺度ULVZ是由剪切地幔流將大尺度ULVZ不斷破碎化造成的，而其中導致的強烈的熱不穩(wěn)定性可能會觸發(fā)地幔熱柱的產(chǎn)生，因此夏威夷熱點下方地幔熱柱的起源更可能來源于LLVP東北部邊界。我們的假說與動力學研究結果(Li et al., 2017)有很好的相關性。本研究也顯示更精確的地震圖像，對認識地球下地幔的動力學過程具有重要意義。

圖3 太平洋LLVP北部邊界處超大尺度ULVZ的形成。a）ULVZ，LLVP邊界與夏威夷下方地幔熱柱的位置。b）小尺度ULVZ在長期穩(wěn)定的水平地幔流的推動下不斷向LLVP的邊緣靠近。c）b中小尺度ULVZ在地幔流的作用下，最終匯聚成我們探測到的超大尺度ULVZ。同時，在地幔流的作用下，LLVP也形成了向北傾斜的幾何形態(tài)。

論文第一作者為博士生李結文，通訊作者為孫道遠教授；合作者為瑞士伯爾尼大學Dan J. Bower博士。中國科大為該論文第一單位。該工作由中科院先導專項、國家自然科學基金等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28708-8

（地球和空間科學學院、科研部）