NG：混合不充分的地幔過渡帶及其熱狀態——來自地震波的約束

熱點是指地球表面長期經歷火山活動的地區。來自全波形層析成像結果顯示，太平洋下方的超級地幔柱近垂直上升到地幔過渡帶的底部，進入到上地幔 （French and Romanowicz， 2015）；來自前驅波和接收函式的結果顯示，地幔柱似乎在部分割槽域已經穿過地幔過渡帶，進入到上地幔中，不僅使地幔形成熱和化學異常 （Yu et al。， 2018； Kemp et al。 2019），也可能將核幔邊界的物質和能量輸送到地表從而形成熱點。經典的威爾遜-摩根理論認為，太平洋中的一些火山島嶼和海山具有線性分佈特徵以及噴發年齡順序變化的現象。但位於太平洋的24個熱點中，許多在近30Myrs有活動，這與該理論相矛盾。透過研究地幔過渡帶的結構及其物質組分可為地幔柱上湧的動力學過程提供重要的約束，進而瞭解地幔柱與熱點位置之間關係。

地幔過渡帶是研究地幔對流和熱迴圈的重要場所。在地幔過渡帶，岩石性質因礦物相變發生變化，進而影響地幔對流以及上、下地幔物質熱化學組成。礦物相變受地幔組分、地幔溫度、壓力以及地幔混合程度等因素共同影響。660-km間斷面是地幔過渡帶的底介面，同時也是上地幔與下地幔的分介面。該間斷面在通常情況下由林伍德石相變佔主導，但在高溫時受石榴石相變強烈影響（Stixrude and Lithgow-Bertelloni， 2011）。林伍德石相變會阻擋地幔柱和俯衝板片透過地幔過渡帶，而石榴石相變則起促進作用。因此，地幔過渡帶的熱化學狀態資訊可為認識地幔對流模式提供重要約束。地震前驅波（這裡指PP、SS前驅波）攜帶地震臺站與地震中間區域過渡帶的資訊（紅色和藍色路徑；圖1a），其走時和振幅分別對介面的深度和物理性質敏感。當前地震臺站在大洋覆蓋不足，因此前驅波成為研究全球地幔過渡帶結構的重要手段。其中，P660P震相往往很難被觀測到（圖1b），這可能與PP和SS前驅波對地球內部的溫度和化學成分具有不同敏感度有關，但具體的主導因素尚存有爭議。

圖1 PP和SS前驅波路徑(a)和波形(b) (Waszek et al., 2021)

來自澳大利亞詹姆斯庫克大學的Lauren Waszek及其國際合作者們透過對全球PP前驅波、SS前驅波與岩石礦物性質模擬的聯合分析，並結合資料探勘技術，揭示了全球地幔過渡帶熱化學狀態。作者選取58217條SS前驅波資料和136512條PP前驅波資料共同約束全球地幔過渡帶的性質。他們的結果證明SS和PP前驅波中來自410間斷面的S410S和P410P反射訊號以及SS前驅波中的S660S訊號具有全球分佈特徵；而僅在四個區域（佔全球總面積

～

5%）可以觀測到可靠的P660P震相，其中三個區域都在太平洋地區（圖2：#1，#2，#4）。結合S660S–S410S到時差和全球層析成像速度模型約束地幔過渡帶厚度，發現這些區域的地幔過渡帶厚度均小於全球平均值，表明其地幔過渡帶溫度較高。

圖2 來自PP和SS前驅波觀測的全球410-km和660-km間斷面。（a）P660P出現的位置；（b）全球地幔過渡帶厚度圖(Waszek et al., 2021)

礦物模擬結果顯示，地幔化學組分無論是平衡組合（equilibrium assemblage；EA）還是機械混合（mechanical mixtures；MM），都可以在SS和PP前驅波中觀測到來自410-km間斷面的反射訊號以及SS前驅波中的S660S訊號；只有在高溫情況下，才能觀測到P660P訊號（圖3a）。所以決定能否觀測到P660P震相的是地幔溫度而非地幔組分。因而，P660P震相也可作為“地幔溫度計”來約束地幔熱狀態。聯合地幔過渡帶厚度和岩石礦物模擬可以推測：假設地幔組分是平衡組合，全球平均地幔潛溫約為1730±50K，並且可以在全球約45%的區域都可以觀測到P660P訊號；而機械混合結果顯示，全球平均地幔潛溫約為1630±50K，可以在全球～14%區域觀測到P660P訊號。後者更接近實際觀測（圖3a），表明地幔是不均勻的，還未達到化學平衡。

圖3 （a）基於地震學和岩石物理約束的全球地幔溫度柱狀圖，黑色虛線以右區域可觀測到P660P；（b）全球地幔過渡帶溫度圖(Waszek et al., 2021)

P660P震相的出現是由於在高溫情況下（地幔潛溫大於1800K）660-km間斷面結構由石榴石相變主導。實際觀測顯示，這種情況目前只發生在零星的地幔過渡帶區域，特別是在熱點聚集分佈的太平洋地區。從地幔過渡帶溫度圖上可以看到，北太平洋省（North Pacific Province）和南太平洋省（South Pacific Province）兩大高溫地區被正常溫度的中太平洋帶（Central Pacific Belt）隔開（圖3b）。中太平洋帶包含太平洋超級地幔柱，而近一半的太平洋熱點都分佈在北太平洋省和南太平洋省的邊緣。這表明，地幔柱並不能直接垂直透過地幔過渡帶。如果林伍德石相變起主導作用，660-km間斷面會阻礙地幔柱穿過地幔過渡帶，使其在過渡帶底部水平攤開。由於熱對流不穩定性增加，非常高溫的物質（>1800K）在這些攤開區域邊緣會進一步上升，從而在地表形成熱點。這一結果支援分層地幔對流模型。660-km間斷面作為動態的屏障阻擋熱物質上升到上地幔，會導致地幔過渡帶和中地幔溫度比預想的高，地幔的混合程度也相應更低。這對了解地幔熱迴圈和物質迴圈有重要意義。該項研究還表明，需聯合不同地震震相以獲取更多的地球深部物質和狀態資訊。

主要參考文獻（上下滑動檢視）

Courtillot V, Davaille A, Besse J, et al. Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 205(3-4): 295-308.

Waszek L, Tauzin B, Schmerr N C, et al. A poorly mixed mantle transition zone and its thermal state inferred from seismic waves[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(12): 949-955.（原文連結）

Stixrude L, Lithgow-Bertelloni C. Thermodynamics of mantle minerals-II. Phase equilibria[J]. Geophysical Journal International, 2011, 184(3): 1180-1213.

French S W, Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567): 95-99.

Kemp M, Jenkins J, Maclennan J, et al. X-discontinuity and transition zone structure beneath Hawaii suggests a heterogeneous plume[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 527: 115781.

Yu C, Day E A, Maarten V, et al. Compositional heterogeneity near the base of the mantle transition zone beneath Hawaii[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 1-9.

美編：陳菲菲