圖2 橫跨La Reunion和南非地區東-西走向剖面，展示了三組數據分別對整個(gè)地幔層析成像的貢獻（Tsekhmistrenko et al., 2021）。（a）利用ISC-EHB/EHB所提供的遠震P波走時(shí)拾取進(jìn)行全球尺度反演。該二維剖面及其所沿大圓（great circle）位置由左上角三維地球模型上黑色實(shí)線(xiàn)所標記。紅色和藍色分別代表低于和高于平均P波速度（VP）區域。垂直于地下個(gè)界面的黑色粗實(shí)線(xiàn)從地表La Reunion一直延伸到CMB。Md, 馬達加斯加；CIR, 印度洋中脊；PGZ，地幔柱生成區域。（b）由（a）中二維速度剖面得到的三維剖面模型。其中地表至CMB上500 km范圍內，通過(guò)5個(gè)速度等值面（dVP/VP==-0.25%, -0.5%, -1%, -2% 和 -3%）,將（a）中二維剖面向兩側分別延展500 km。最底部500 km范圍則不局限于（a）中速度分布，代表全尺度三維速度模型。（c）、（d）分別與（a）、（b）描繪內容一樣，只是將CMB衍射P波走時(shí)數據與ISC-EHB/EHB提供的遠震P波走時(shí)數據進(jìn)行聯(lián)合反演。（e）、（f）將RHUM-RUM臺陣提供的遠震多頻走時(shí)數據與前兩組數據進(jìn)行聯(lián)合反演得到的二維和三維速度剖面
基于RROx-19模型成像結果，Tsekhmistrenko et al. (2021)提出印-非地幔柱的樹(shù)形結構模式（圖3）。該結構模式指出，CMB以上～500至1000 km深度范圍內，存在兩條“根狀”低速體，北西-南東走向的低速體被稱(chēng)為南印度洋低速走廊，另一條南北走向的則稱(chēng)之為東非低速走廊。兩條低速走廊在南非下方匯聚，并由匯聚點(diǎn)以上至～1500 km深度形成緊湊的、較粗的“樹(shù)干”結構。從“樹(shù)干”頂部（圖3中約1500 km深位置）至上地幔底部存在三根“樹(shù)枝”結構，每根都由一系列按次序形成的地幔柱源區異常體及其上升團狀物組成。三根“樹(shù)枝”分別向三個(gè)不同的方向延展，一支向東南延展，位于南印度洋低速走廊上方，并與Reunion地區上地幔一個(gè)直徑約200 km的低速結構連接；另一支向北延展，位于東非低速走廊上方，由LLVP穹頂向北側的Malawi和Kenya方向上升延展，并通過(guò)上地幔的低速異常體進(jìn)一步與更北部的Afar熱點(diǎn)相連通；第三支向西南方向的Bouvet熱點(diǎn)延展。每根‘樹(shù)枝’在地幔轉換帶（～600 km深度）之上，因粘滯度分界形成一條或多條次生地幔柱。這些次生地幔柱進(jìn)一步上升，其柱頭影響可能已經(jīng)到達地表并形成被觀(guān)測到的LIPs (e.g., Madagascar Rise LIP、Deccan Traps LIP等)，或者孕育未來(lái)的LIPs（e.g.，模型指出在Kenya下方未來(lái)可能具備形成LIPs的條件）。
地幔柱的本質(zhì)是地球的散熱通道，PROx-19模型中的粗“樹(shù)干”結構解決了經(jīng)典的細長(cháng)柱尾結構所面對的散熱量不足問(wèn)題。這并不是第一次觀(guān)測到該結構，之前多項地震學(xué)研究曾觀(guān)測到下地幔直徑約為500 – 1000 km的柱尾結構（French et al., 2015; Ritsema et al., 1999)。此外，Liu and Leng (2020)根據近期地球物理觀(guān)測和礦物學(xué)實(shí)驗結果，在構建三維地球動(dòng)力學(xué)模型時(shí)考慮了上、下地幔粘滯度的精細分層特征。他們的模擬結果顯示，地幔轉換帶底部（600-660 km）和上地幔（100-410 km）低粘滯度層的存在，可使下地幔單個(gè)粗柱狀熱柱在上地幔分叉形成多個(gè)細柱結構，且細柱的數量和形態(tài)隨時(shí)空變化。這一結果揭示，地幔粘滯度分層性對地幔柱“樹(shù)枝”末端的次生地幔柱結構的形成和演化具有重要控制作用。
圖3 印-非地幔柱的樹(shù)形結構卡通示意圖，該示意圖未展示向西南方向Bouvet熱點(diǎn)延伸的‘樹(shù)枝’結構（Tsekhmistrenko et al., 2021）
Tsekhmistrenko et al. (2021)對印-非地幔柱的樹(shù)形結構也提出了動(dòng)力學(xué)解釋?zhuān)▓D4），即：（a）低速走廊末端具有最大的橫向溫度梯度，因此異常體1衍生于此；（b）異常體1與低速走廊脫離，形成團狀物1，最大橫向溫度梯度向左橫移，導致異常體2重復異常體1的衍生過(guò)程；（c）同理，團狀物2及異常體3也隨之衍生；（d）低速走廊的衍生異常體3與分離出來(lái)的團狀物1、2呈傾斜線(xiàn)性排列，當達到上、下地幔黏性分界時(shí)，團狀物1衍生出一套“經(jīng)典”的地幔柱頭、柱尾結構。
圖4 印-非地幔柱樹(shù)形結構的動(dòng)力學(xué)成因模型（Tsekhmistrenko et al., 2021）。（a）CMB低速走廊及原始地幔柱（直徑約為800 km的異常體1）。低速走廊末端具有最大的橫向溫度梯度，因此異常體1衍生于此；（b）異常體1與低速走廊分離，垂直上升并形成團狀物1。最大橫向溫度梯度向左橫移，導致異常體2重復異常體1的衍生過(guò)程；（c）同理，異常體2脫離形成團狀物2，異常體3隨之衍生；（d）示意圖展示低速走廊的衍生異常體3與分離出的團狀物1、2的傾斜線(xiàn)性排列及分離后減薄的CMB低速走廊。當團狀物1達到上、下地幔黏性分界時(shí)，衍生出一套‘經(jīng)典’的地幔柱頭、柱尾結構。團狀物1與圖3中Reunion地幔柱相對應，而團狀物3則與LLVP穹頂相對應
Tsekhmistrenko et al. (2021)提出的樹(shù)形地幔柱與一些地表地質(zhì)現象相吻合。例如，位于東非低速走廊遠端上方的Afar地區，曾在～30 Ma經(jīng)歷了溢流玄武巖噴發(fā)及隨之的由大陸裂谷向海底擴張過(guò)程的轉換。沿東非裂谷向南，位于該低速走廊中部上方的裂谷區就相對年輕、發(fā)育程度較低，且與裂谷發(fā)育相關(guān)的巖漿活動(dòng)并沒(méi)有有體現出LIPs的特征。位于裂谷系南端，東非走廊近“樹(shù)干”端上方的Malawi裂谷區以南地區則并沒(méi)有發(fā)現大陸裂谷活動(dòng)，這是由于上升的團狀物仍處在地幔中部，并未衍生出直達地表的柱頭-柱尾結構。類(lèi)似的現象也存在于南印度洋低速走廊上方地表。但同時(shí)，該地幔柱結構亦面臨諸多挑戰，其中之一就來(lái)自對東非裂谷系發(fā)育機制的討論。多項近期研究顯示，地幔柱對該裂谷系的發(fā)育影響有限或直接提出被動(dòng)式的發(fā)育機制(e.g.，Reed et al., 2016; Rychert et al., 2012; Stamps et al., 2015)，該觀(guān)點(diǎn)與樹(shù)形地幔柱結構相矛盾。此外，如作者文中所述，臺站覆蓋區以外的上地幔（～900 km以上）分辨率不高，難以準確刻畫(huà)該深度范圍的速度結構。再有，目前沒(méi)有一個(gè)速度模型能夠提供支持第三條CMB低速走廊（由LLVP穹頂向西南方向Bouvet延伸）存在的直接證據。因此，樹(shù)形地幔柱結構的廣泛認可仍有待于上述問(wèn)題的解決。
【致謝：感謝巖石圈室陳凌研究員的寶貴修改建議。】
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（撰稿：王拓，李楊/巖石圈室）
