過(guò)去的幾十年里，全球尺度的地震成像研究揭示了下地幔底部的復雜結構。其中，位于非洲和太平洋板塊之下核幔邊界（Core-Mantle Boundary，簡(jiǎn)稱(chēng)CMB）處的兩個(gè)大型低剪切波速省（Large Low-Shear Velocity Provinces，簡(jiǎn)稱(chēng)LLSVPs），尤為吸引廣大學(xué)者們的目光。LLSVPs橫向跨度可達數千公里（He and Wen, 2012; Ni and Helmberger, 2003），占據了CMB約30%的面積（圖1，Garnero et al., 2016; Torsvik et al., 2010）。縱向形態(tài)上，既有研究認為LLSVPs是一整個(gè)大的低速異常體，并由CMB向上延伸幾百甚至上千公里（Tsekhmistrenko et al., 2021）；也有學(xué)者提出LLSVPs是由多條獨立地幔柱聚成的簇狀體，且這些地幔柱源于CMB上一個(gè)低速、可能是較高密度的薄層（小于200 km厚）（Davaille and Romanowicz, 2020）。此外，源自深部地幔LLSVPs等區域的地幔柱可以將下地幔物質(zhì)輸送至地表（Hofmann, 1997; Morgan, 1971）。
圖1 全球大型低剪切波速省 (LLSVPs)、大火成巖省、金伯利巖及與深源地幔柱相關(guān)的活躍熱點(diǎn)分布。紅色實(shí)線(xiàn)勾畫(huà)了非洲和太平洋LLSVPs的輪廓（Torsvik et al., 2010）
但對地幔柱的形態(tài)，以及地幔柱作為熱物質(zhì)通道的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的認識還存在頗多爭議。基于地球動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗，Griffiths and Campbell（1990）提出了經(jīng)典的蘑菇狀柱頭-細長(cháng)柱尾（直徑小于200 km）的經(jīng)典熱地幔柱模型。而新的層析成像結果表明，地幔柱在下地幔可能是粗柱狀（直徑約500-800 km）的結構（French and Romanowicz, 2015）。經(jīng)典模型要求下地幔底部存在熱異常，而單純的熱異常卻不能形成粗柱狀結構，需要熱-化學(xué)異常的參與。進(jìn)一步，針對位于非洲板塊下的地幔柱，英國牛津大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院的Tsekhmistrenko 學(xué)者等提出了樹(shù)形結構模型（詳細內容可參閱報道《印-非地幔柱樹(shù)形結構的地震層析成像研究》）。相比下地幔粗柱狀的地幔柱模型，該模型更為細致地刻畫(huà)了1000 km以上的結構，并指出次生地幔柱的結構。這一模型得到了前人研究不同程度的支持（Chang and van der Lee, 2011; Emry et al., 2019; Liu and Leng, 2020）。
近期，Wamba et al.（2023）通過(guò)全波形反演（Full-Waveform Inversion, 簡(jiǎn)稱(chēng)FWI）約束了位于印度洋西部的Reunion和Comores等熱點(diǎn)及其周邊區域（圖2A）的下地幔速度結構（約800 km深度至CMB），結合該區域已有的地殼及上地幔速度模型SEMINDO（深至約1200 km，Wamba et al., 2021），他們提出新的全地幔尺度三維速度結構模型（SEMINDO-WM3）。模型的二維縱向剖面（圖2B-圖2E）顯示，該區域自CMB至約1000 km的深度范圍存在至少三條相互獨立、近直立的低速柱狀體；在約1000至660 km的深度范圍，這些柱狀體向水平方向彎折并延展，形成水平層狀低速體；自660 km以上，可以觀(guān)測到更為直立的低速通道與地表熱點(diǎn)火山相連接。三維模型更好地展示了這些結構的完整形態(tài)（圖3），可以看到三條獨立的低速柱狀結構在約1000 km的深度處與水平低速層狀延展區（Low-Seismic Velocity Ponding Zone，簡(jiǎn)稱(chēng)LSVPZ）相接。LSVPZ的形成可能與該層較低的粘滯度有關(guān)（Liu and Leng, 2020; Rudolph et al., 2015）。
圖2 （A） 研究區主要熱點(diǎn)（黑色實(shí)心圓）及地質(zhì)構造分布。CR: Carlsberg Ridge（卡爾斯伯格洋中脊）; CIR: Central Indian Ridge（中印度洋中脊）; SWIR: Southwest Indian Ridge（西南印度洋中脊）; SEIR: Southeast Indian Ridge（東南印度洋中脊）; RTZ: Rodrigues Triple Junction（羅德里格斯三聯(lián)點(diǎn)）; ASZ: Andaman subduction zone（安達曼俯沖帶）; SSZ: Sumatra subduction zone（蘇門(mén)答臘俯沖帶）; JSZ: Java subduction zone（爪哇俯沖帶）。（B）沿Reunion和Crozet熱點(diǎn)連線(xiàn)的地幔剪切波速度擾動(dòng)剖面圖。（C）沿Reunion和Kerguelen熱點(diǎn)連線(xiàn)的剖面圖。（D）沿Reunion和Marion熱點(diǎn)連線(xiàn)的剖面圖。（E）沿Comores和Marion熱點(diǎn)連線(xiàn)的剖面圖（Dongmo Wamba et al., 2023）
圖3 Reunion下方CMB至850 km深度范圍三維剪切波速度模型。（A）自東向西視角；（B）自南向北視角；（C）自北向南視角。頂部橫截面的白色粗線(xiàn)代表地表地質(zhì)構造的投影，紅色粗線(xiàn)代表印度洋中脊的投影，綠色錐形指示了Reunion和Comores熱點(diǎn)的位置（Wamba et al., 2023）
大體來(lái)說(shuō)，熱管道系統從深部地幔到地表熱點(diǎn)分為五層（圖4）：（1）自CMB至約1000 km深度的粗柱狀通道，將LLSVP的熱物質(zhì)向上輸送；（2）自約1000 km至660 km深度的水平層狀延展區，接收來(lái)自下方的熱物質(zhì)，形成供給源；（3）自約660 km至250 km深度的細柱狀通道，將熱物質(zhì)繼續向上輸送；（4）自約250 km至100 km深度的水平層狀延展區，接收下方熱物質(zhì)，形成新的供給源；（5）自約100 km深度至地表的細枝狀通道，將熱物質(zhì)輸送至地表。值得注意的是，位于層（1）、（3）和（5）的近垂直通道并不一定處于同一水平位置，事實(shí)上他們可能會(huì )在橫向上發(fā)生較大的偏移。這種垂直柱狀通道-水平層狀延展區交錯的結構（圖4），類(lèi)似于地殼內火山系統的巖墻與巖床交織的結構，只不過(guò)尺度更大，貫穿了整個(gè)地幔。該結構模型與樹(shù)形結構模型（Tsekhmistrenko et al., 2021）存在一定的相似性：兩個(gè)模型均指出自CMB上涌的物質(zhì)在下地幔頂部（約1000 km以上）出現水平方向的延展，并在約660 km附近由于粘滯度的跳變形成直徑較小的次生柱狀通道。不同的是，樹(shù)形結構模型認為CMB以上數百至上千公里的深度范圍是一個(gè)分叉、樹(shù)根狀的結構，而該模型則認為在這個(gè)深度范圍存在多條獨立的柱狀通道；同時(shí)樹(shù)形結構模型并沒(méi)有揭示出層（4）的水平層狀延展區和層（5）的直徑更小的枝狀通道。
圖4 地幔熱管道系統概念圖（Wamba et al., 2023）
基于地幔速度結構模型（SEMINDO-WM3）提出的熱管道系統模型，有助于解析區域性地震學(xué)問(wèn)題。例如，已有地球化學(xué)研究提出，Reunion熱點(diǎn)火山與中印度洋中脊（Central Indian Ridge，簡(jiǎn)稱(chēng)CIR）可能存在內在關(guān)聯(lián)（Furi et al., 2011）。新的熱管道系統模型指出，此二者可能在下地幔源于同一個(gè)地幔柱，進(jìn)一步支持了以上觀(guān)點(diǎn)。二維縱向剖面顯示，在Reunion下方約660至250 km深度范圍（層（3））存在一個(gè)直立的柱狀低速通道，與上方的LSVPZ（層（4））相連（圖2B-2D）。在200 km深度的橫截面上，可以觀(guān)測到層（4）的LSVPZ向東側的CIR和西側的Comores熱點(diǎn)（Mascareignes盆地）方向延伸（圖5A）。結合地球化學(xué)觀(guān)測，這表明Reunion熱點(diǎn)和CIR在下地幔可能由同一個(gè)地幔柱提供熱物質(zhì)，只不過(guò)由于LSVPZ的水平延展性質(zhì)，導致熱物質(zhì)在地表不同位置噴出。那么Reunion和Comores熱點(diǎn)是否在下地幔相連、由同一地幔柱供給熱物質(zhì)呢？或者說(shuō)向西延展的LSVPZ是否與地表的Comores熱點(diǎn)相連，并向其輸送深部熱物質(zhì)呢？地球化學(xué)研究顯示，Reunion和Comores熱點(diǎn)處的玄武巖在地球化學(xué)性質(zhì)上存在一定的差異，反映向西延展的LSVPZ可能并沒(méi)有與Comores熱點(diǎn)源區連接，而Comores熱點(diǎn)可能與其西側的東非裂谷系是同源的（Class et al., 2005）。
圖5 與圖3類(lèi)似，展示自南向北視角Reunion下方中地幔至上地幔三維剪切波速度模型。（A）1700 km至200 km深度范圍；（B）1700 km至300 km深度范圍；（C）1700 km至400 km深度范圍（Wamba et al., 2023）
新的熱管道系統模型也可為解析全球性的地震學(xué)焦點(diǎn)爭議提供新的觀(guān)測和證據。例如，該模型支持LLSVPs是由多條獨立地幔柱組成的，而非一個(gè)整體的大型低速異常體；熱點(diǎn)火山作用是由CMB處的熱物質(zhì)通過(guò)管道系統輸送至地表而引起的，而不僅是上地幔對流的地表響應等。同時(shí)也應注意，受區域觀(guān)測數據覆蓋限制，該模型的普適性還有待進(jìn)一步針對不同地區的研究加以驗證。
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（撰稿：王拓，李楊，陳凌/巖石圈室）
