地震学观测显示地球核幔边界广泛分布超低速带（ULVZ），其高度5-100公里，横向大小为10-100公里，横波波速降达5%-30%。ULVZ由于其特殊的物理性质，被认为有可能代表了地球冷却过程中残余的原始岩浆洋结晶、俯冲物质或部分熔融。大多数现有观察到的ULVZ似乎聚集在下地幔大尺度低速体（LLVP）的边缘，表明这些ULVZ的形成与LLVP有关。地表上一些典型的热点，如夏威夷、冰岛等，均被认为和ULVZ存在密切关系，而地幔柱可能把这些化学异常的信息携带到地表，因此ULVZ的详细特征在地球演化研究中有特殊意义。同时，ULVZ的形成与俯冲板片以及LLVP的相互作用密切相关，探究LLVP的具体边界、ULVZ的三维几何结构以及LLVP与ULVZ的空间关系对认识地球下地幔的动力学演化至关重要。近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院孙道远教授课题组联合瑞士伯尔尼大学Dan J. Bower，获得了位于北太平洋下方迄今为止发现的最大尺度的ULVZ的三维结构。相关成果以“Slab control on the mega-sized NorthPacific ultra-low velocity zone”为题，发表于综合学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。
已有研究指出，太平洋LLVP的北部边界存在超大尺度柱状ULVZ（图1）（Cottaar and Romanowicz，2012），但由于缺乏南-北方向的数据，因此该ULVZ的位置、大小和横波速度扰动之间存在很大的不确定性。自2016年以来，随着阿拉斯加地区台站数量的不断增加，使得我们有机会利用南-北和东-西两个方向的地震数据来共同约束该区域内LLVP的具体边界与ULVZ的三维结构。
图1 LLVP的边界与超大尺度ULVZ的三维结构。黑色和红色虚线分别表示前人研究中S波与P波的LLVP北部边界，虚线8表示本次研究中的LLVP北部边界。虚线7表示大尺度柱状ULVZ (Cottaar and Romanowicz, 2012)，阴影9表示本次研究中的超大尺度ULVZ。注意在LLVP北部与东北部边缘处存在两处高速区域。它们被认为是古老的俯冲板片（paleo-slab）在下地幔底部的残留。
通过对两个方向上不同地震波震相到时的测量，确定了太平洋LLVP北部边界处的高度（～900千米）、LLVP内部的横波速度扰动以及LLVP向北倾斜的边界特征（图2）。进一步利用波形拟合的方法，解决了ULVZ几何尺寸和速度之间的互易性，得到了超大尺度ULVZ的三维结构（图1和图3），其尺寸约为1500×900千米，高度～50千米，S波波速降为10%。根据ULVZ内部的横纵波速度扰动比值，我们认为它是由化学异常造成的。此外，地震数据还表明LLVP的外部存在高速区域，结合前人的研究(He and Wen, 2012)，认为其对应了古老俯冲板片在下地幔底部的残留。
图2 南-北剖面上太平洋LLVP北部边界结构。紫色线描绘了我们推断的LLVP形态，它具有向北倾斜的特征。
结合本文中LLVP、ULVZ以及古老俯冲板片的位置关系，我们对超大尺度ULVZ的形成提出假说：太平洋LLVP的北部边界处存在长期的、稳定的、由俯冲板片主导的水平地幔汇聚流，小尺度的ULVZ在地幔流的作用下不断在LLVP的边缘处累积，最终形成我们现在探测到的超大尺度ULVZ（图3）。同时，由于地幔流的作用，LLVP也形成了向北倾斜的形态。相比之下，太平洋LLVP东北缘探测到的小尺度ULVZ是由剪切地幔流将大尺度ULVZ不断破碎化造成的，而其中导致的强烈的热不稳定性可能会触发地幔热柱的产生，因此夏威夷热点下方地幔热柱的起源更可能来源于LLVP东北部边界。我们的假说与动力学研究结果(Li et al., 2017)有很好的相关性。本研究也显示更精确的地震图像，对认识地球下地幔的动力学过程具有重要意义。
图3 太平洋LLVP北部边界处超大尺度ULVZ的形成。a）ULVZ，LLVP边界与夏威夷下方地幔热柱的位置。b）小尺度ULVZ在长期稳定的水平地幔流的推动下不断向LLVP的边缘靠近。c）b中小尺度ULVZ在地幔流的作用下，最终汇聚成我们探测到的超大尺度ULVZ。同时，在地幔流的作用下，LLVP也形成了向北倾斜的几何形态。
论文第一作者为博士生李结文，通讯作者为孙道远教授；合作者为瑞士伯尔尼大学Dan J. Bower博士。中国科大为该论文第一单位。该工作由中科院先导专项、国家自然科学基金等项目资助。
参考文献
Cottaar, S., Romanowicz,B., 2012. An unsually large ULVZ at the base of the mantle near Hawaii. EarthPlanet Sc Lett 355, 213-222. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.09.005.
He, Y.M., Wen, L.X.,2012. Geographic boundary of the "Pacific Anomaly" and its geometryand transitional structure in the north. J Geophys Res-Sol Ea 117. https://doi.org/10.1029/2012jb009436.
Li, M.M., McNamara,A.K., Garnero, E.J., Yu, S.L., 2017. Compositionally-distinct ultra-lowvelocity zones on Earth's core-mantle boundary. Nat Commun 8. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00219-x.
Li, J., Sun, D., and Bower, D. J., 2022. Slab controlon the mega-sized North Pacific ultra-low velocity zone. Nat Commun 13. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28708-8.
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28708-8