科学通报 | 大低速省与核幔热交换

核幔边界(core–mantle boundary, CMB)是连接地球液态外核与固态地幔的关键界面, 也是地球内部热量交换最重要的边界之一. 核幔边界热流不仅控制地核冷却和内核生长过程, 也深刻影响整个地球的热演化历史 [1] . 近年来研究表明, 相比于核幔边界平均热流大小, 其横向非均匀分布更可能调控外核对流模式、地磁场结构以及深部地球动力学过程 [2] . 由此引出一个关键科学问题: 深部地幔结构如何调控核幔边界热流的空间分布?

过去二十余年来, 随着地震层析成像技术的发展, 位于非洲和太平洋下方的大低速省(large low velocity provinces, LLVPs, 下文统称大低速省)逐渐成为深部地球科学研究的热点. 大低速省横跨数千公里、覆盖约三分之一核幔边界, 地震波经过该区域波速会明显降低, 是目前地球内部最显著的地震学异常结构之一. 围绕大低速省的成分、结构及长期稳定性, 地震学、矿物物理和地球动力学等领域开展了大量研究(参考文献 [3] ). 越来越多的研究表明, 大低速省不仅具有明显的高温特征, 还可能具有更高的密度 [4] 并富集放射性生热元素(heat-producing elements, HPEs) [5] , 被认为可能起源于地球早期岩浆洋结晶过程, 并保存至今 [ 6 , 7 ] . 然而, 目前关于大低速省的研究更多关注其组成、结构及演化, 即它们究竟是地幔演化形成的产物还是地球形成早期保留下来的原始储库 [ 6 ~ 8 ] ? 它们是板块俯冲到深部地幔所引起的响应, 还是长期稳定存在于深部地幔的“锚点” [ 9 ~ 11 ] ? 相比之下, 对于另一个更具地球系统意义的问题—大低速省在深部地球系统演化中发挥怎样的作用—关注相对不足. 虽然大低速省覆盖近三分之一的核幔边界区域, 但对它们在核幔热交换、地核冷却和地磁场演化过程中所起到的作用与影响, 仍缺乏系统研究.

针对这一问题, Deschamps等人 [12] 近日在 Nature Geoscience 发表研究成果, 利用全球热化学地幔对流模型, 同时考虑了矿物热导率的温度依赖性、大低速省的放射性生热元素富集以及化学密度异常等关键因素, 系统研究了大低速省对核幔边界热流的影响. 研究结果表明, 温度依赖的热导率显著增强了核幔边界热流的横向非均匀性, 而大低速省内部富集的放射性生热进一步促进了热量积累, 使大低速省底部形成持续的低热流区域甚至出现局部负热流区域( 图1 ).

图1 核幔边界热化学结构及热通量空间分布示意图. 大低速省区域的核幔边界热通量较小, 且可能存在局部负热通量, 这也可能导致外核顶部的区域分层现象. 相比之下, 俯冲板片抵达核幔边界时可形成短时间尺度的高热通量区域. 大低速省和俯冲板片的共同作用, 使核幔边界通量呈现明显的空间和时间变化

该研究最引人关注的发现, 并非一种新的动力学机制, 而是利用地球动力学模型揭示了一种此前未被充分认识的核幔热交换现象: 即在特定条件下核幔边界可能出现局部负热流(negative core-mantle boundary heat flux). 传统观点认为, 由于地核温度高于地幔, 热量应始终由地核传向地幔, 因此核幔边界热流应为正值. 然而, 该研究发现, 当大低速省富集放射性生热元素且热导率随温度升高而降低时, 其底部局部区域温度可能超过外核顶部绝热线温度, 从而形成由地幔向地核传热的局部负热流.

此外, 模拟结果进一步显示, 大低速省控制着长期存在的低热流甚至负热流区域, 而俯冲板块到达核幔边界时则形成短时间尺度的高热流脉冲, 两类过程共同塑造了核幔边界热流复杂的时空演化特征. 这表明, 核幔热交换并非简单由平均热流决定, 而是受到深部热化学结构演化与板块俯冲过程共同调控.

这项研究为理解地球的核幔耦合提供了新的视角. 通过核幔边界热流分布特征, 该研究建立了大低速省与地核及地磁场长期演化之间新的动力学联系. 近年来, 地震学研究提出外核顶部可能存在局部稳定分层 [13] , 但其形成机制仍存在争议. 该研究为外核顶部分层观测提供了一种可能的动力学解释: 大低速省下方长期存在的亚绝热甚至负热流区域, 可降低局部外核浮力通量, 从而促进外核顶部局部稳定分层的形成( 图1 ). 同时, 地磁发电机研究指出, 核幔边界热流的横向变化能够影响外核对流模式、磁通量分布及地磁极性倒转行为 [ 2 , 14 ] . 结合该研究的结果, 大低速省形成的长期低热流背景与俯冲板块产生的短时高热流事件, 可能共同影响地球历史上的地磁超静期及频繁倒转阶段. 由此可见, 这项工作揭示了大低速省可能通过调控核幔热交换影响地核长期演化, 为理解深部地幔—地核—地磁场之间的耦合关系提供了新的认识.

该研究中所使用的模型也存在一些简化, 例如采用了二维球面环模型, 未考虑核幔边界地形及外核动力学反馈等过程的影响, 大低速省的放射性生热元素丰度和热导率目前也缺乏充分的实验约束. 未来需要结合三维全球热化学对流模拟、矿物物理实验、地震学观测以及地磁发电机模型 [ 2 , 4 , 11 , 15 ] , 进一步评估局部负核幔边界热流产生的条件及其对地核冷却和地磁场长期演化的影响.

总体而言, 这项研究在综合考虑多种关键因素影响的动力学模型中发现了局部负核幔边界热流这一此前未被充分认识的现象, 并揭示了其对核幔热交换、外核稳定分层及地磁场长期演化的重要启示. 更重要的是, 这项研究将大低速省研究的关注点由其自身的组成、结构和演化, 拓展到其在核幔热交换及深部地球系统演化中的潜在作用, 为进一步理解深部地球系统多圈层耦合演化提供了新的研究思路.

参考文献

[1] Lay T, Hernlund J, Buffett B A. Core–mantle boundary heat flow. Nat Geosci, 2008, 1 25-32

[2] Biggin A J, Davies C J, Mound J E, et al. Mantle heterogeneity influenced Earth’s ancient magnetic field. Nat Geosci, 2026, 19 345-352

[3] Garnero E J, McNamara A K, Shim S H. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth’s mantle. Nat Geosci, 2016, 9 481-489

[4] Trampert J, Deschamps F, Resovsky J, et al. Probabilistic tomography maps chemical heterogeneities throughout the lower mantle. Science, 2004, 306 853-856

[5] Kellogg L H, Hager B H, van der Hilst RD. Compositional stratification in the deep mantle. Science, 1999, 283 1881-1884

[6] Labrosse S, Hernlund J W, Coltice N. A crystallizing dense magma ocean at the base of the Earth’s mantle. Nature, 2007, 450 866-869

[7] Hofmann A W. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism. Nature, 1997, 385 219-229

[8] Brandenburg J P, Hauri E H, van Keken P E, et al. A multiple-system study of the geochemical evolution of the mantle with force-balanced plates and thermochemical effects. Earth Planet Sci Lett, 2008, 276 1-13

[9] McNamara A K, Zhong S. Thermochemical structures beneath Africa and the Pacific Ocean. Nature, 2005, 437 1136-1139

[10] Torsvik T H, van der Voo R, Doubrovine P V, et al. Deep mantle structure as a reference frame for movements in and on the Earth. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111 8735-8740

[11] Shi Z, Mitchell R N, Li Y, et al. Sluggish thermochemical basal mantle structures support their long-lived stability. Nat Commun, 2024, 15 10000

[12] Deschamps F, Guerrero J M, Amit H, et al. Negative core–mantle boundary heat flux beneath low-shear-wave-velocity provinces. Nat Geosci, 2026, 19 980-985

[13] Mound J, Davies C, Rost S, et al. Regional stratification at the top of Earth’s core due to core–mantle boundary heat flux variations. Nat Geosci, 2019, 12 575-580

[14] Amit H, Olson P. Lower mantle superplume growth excites geomagnetic reversals. Earth Planet Sci Lett, 2015, 414 68-76

[15] Hsieh W P, Deschamps F, Okuchi T, et al. Effects of iron on the lattice thermal conductivity of Earth’s deep mantle and implications for mantle dynamics. Proc Natl Acad Sci USA, 2018, 115 4099-4104

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