长久以来，学界一直在争论地幔内部是否存在物质成分的径向分层，以及是否或者如何影响地幔对流的模式和尺度。近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授俞春泉与合作者在全球地幔过渡带结构和物质成分方面取得重要研究进展，相关成果以“Seismic evidence for global basalt accumulation in the mantle transition zone”为题在Science Advances期刊发表。

众所周知，地幔是一个主要由热驱动的对流系统，但是物质成分的不均匀性对地球内部的化学循环至关重要。地幔过渡带的上下边界分别为全球平均约410公里和660公里的两个地震学间断面（以下简称410和660）。学者们普遍认为410与橄榄石到瓦兹利石的放热相变有关，会增强地幔流动性，而660与林伍德石到布里奇曼石和铁方镁石的吸热相变有关，会倾向于阻碍上下地幔之间的对流。地幔过渡带调控着上下地幔之间的物质和热量传递，因此是研究地幔热化学结构的关键区域。

俞春泉及其合作者分析了分布于全球的大量SS和PP前驱波观测数据（图1），利用最新发展的台阵处理技术有效压制了干扰震相和随机噪声并大大拓展了数据可用范围（图2），在此基础上通过振幅AVO分析方法获得了地幔过渡带上下边界处的速度和密度跳跃值（图3），进一步结合矿物物理热动力学模拟约束了界面处的物质成分。研究结果表明，地幔过渡带中富集玄武岩成分并且在过渡带底部达到峰值。

早在二十世纪七十年代，Anderson等人就提出地幔过渡带中可能富集玄武岩成分，然而直接的地震学观测证据一直较为匮乏。本研究为全球范围内地幔过渡带富集玄武岩提供了直接地震学观测证据。地幔过渡带中玄武岩的富集可能是由于板块俯冲过程中玄武岩地壳与亏损岩石圈地幔沿着低粘度层发生分离并在地幔过渡带中堆积，或者可能在深部地幔的高温低粘度区域发生分离并随后被上升地幔流夹带至地幔过渡带中（图4）。这一推测得到了最新包含板块循环的热化学地幔对流数值模拟结果的支持。本研究成果可以解释长期以来地球物理和地球化学之间的争论，即前者表明存在深地幔物质循环而后者需要保存相对孤立的地球化学储层。此外，地幔的平均成分很可能比经典的地幔岩模型富含更多二氧化硅成分，因此更接近于基于CI球粒陨石得到的全硅酸盐地球模型。

图1.SS和PP前驱波射线路径和数据分布

图2.SS和PP波形全球叠加结果

图3.410和660间断面处速度和密度跳跃值

图4.玄武岩成分在地幔过渡带中富集示意图

 俞春泉为论文第一兼通讯作者，研究合作者包括英国帝国理工学院教授Saskia Goes和Elizabeth Day博士以及美国麻省理工学院的教授Robert van der Hilst。南科大是论文第一单位。以上研究得到了中国国家自然科学基金委特提斯地球动力系统重大研究计划、面上项目以及广东省地球物理高精度成像技术重点实验室的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0095 

供稿：地球与空间科学系

通讯员：黄惠婧

主图：丘妍

编辑：朱增光