【特别报道】——“天河一号”助力地球内部演化研究

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地球是具有圈层结构的行星，地球的圈层结构不是在诞生时形成的，而是在诞生之后逐渐演化而来的，在地球的内圈层中，地幔是体积(约84%)和质量(约70%)最大的圈层，其物理状态与化学组成对于理解地球的形成和演化过程至关重要。

地震层析成像研究结果显示，在核幔边界(core-mantle boundary,CMB)位于非洲和太平洋下方存在两个大的地震波低速块体(Large Low Shear Velocity Provinces,简称LLSVPs)，覆盖了核幔边界大约30%的区域，是深部地幔最重要的第一阶观测特征。因此，研究和理解这两个大尺度低速块体的形成和演化对于我们理解地球内部的演化有着非常重要的意义。

国家超级计算天津中心用户李杨课题组，近年来一直在探索下地幔大尺度低速体(LLSVPs)最关键的两个问题：它们是否能长期稳定存在？哪些因素会影响这一演化过程？近来，该课题组基于可压缩非弹性流体假设和有限差分法，开展的二维热-化学动力学研究成果发表在《地球物理通讯》(Geophysical Research Letters)。

地球同心圈层结构

地球圈层结构分为地球外部圈层和地球内部圈层两大部分。地球外部圈层可进一步划分为三个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈。地球内部圈层可进一步划分为三个基本圈层，即地壳、地幔和地核。地壳和上地幔顶部(软流层以上)由坚硬的岩石组成，合称岩石圈。

应用成果

该课题组充分考虑了最近几年地球科学相关学科所取得的进展，主要是地震学上关于LLSVPs密度差异的约束，矿物物理对下地幔布里奇曼石和铁方镁石流变性质的研究约束，以及地球化学在地球内部放射性生热元素分布的差异，设计了一系列地球动力学数值模拟实验来探索地幔大尺度低速体(LLSVPs)最关键的两个问题。

LLSVPs密度差异较大时, 成分粘性差异对LLSVPs的影响

a.从上到下依次为：t=45亿年(现在)的温度场、成分场、粘性场, 从左到右依次为：0.1, 1, 10, 30倍粘性差异

b.地幔平均温度随时间的演化

c.LLSVPs体积随时间的变化

如果LLSVPs与背景地幔物质密度差异降低到2%以下，则下地幔矿物性质不同所引起的粘性差异以及放射性内生热率差异会影响其演化，具体表现是：在地幔演化早期，粘性差异起主要作用，更有利于LLSVPs形成并保持稳定，进入到演化中后期，放射性内生热率差异的累积影响会起更大的作用，通过形成较大的地幔柱来逐步破坏LLSVPs的稳定。

LLSVPs密度差异较小时, 成分粘性差异对LLSVPs的影响

a.从上到下依次为: t=45亿年(现在)的温度场、成分场、粘性场, 从左到右依次为：0.1, 1, 10, 30倍粘性差异

b.地幔平均温度随时间的演化

c.LLSVPs体积随时间的变化

对上图中粘性差异为1和30两种情况的演化过程的进一步展示

a. 分别为t=2.3Gyr、3.5Gyr和4.35Gyr, B=0.225, ∆ηC=1(顶部)、30(底部)的快照组成

b. 大型水库中保存的原始物质比例随时间的变化

c. 原始物质贮存库中最高温度随时间的变化

该研究明确指出了，由于地幔物质成分差异所引起的物理性质（粘性）与地球化学放射性生热元素U, Th, K的分布差异（内生热率）之间相反的调节作用以及其在地幔对流以及LLSVPs演化过程的不同阶段所起的不同作用。作为端元模型，这项研究结果可以为进一步研究LLSVPs的性质，以及地球历史上可能表现出的幕式演化过程提供参照和约束。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院“率先行动”百人计划青年项目资助，模拟计算工作得到国家超级计算天津中心的大力支持。

论文链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GL083668