超低速區（ULVZ，Ultra-Low Velocity Zones）是核幔邊界存在的一種結構異常。它最顯著(zhù)的特點(diǎn)是P波和S波的速度降最高能達到10%和30%，密度增加最高到10%左右。ULVZ在核幔邊界呈零散分布，主要集中在大低速省（LLSVP）周邊，但偶爾也有分布在遠離LLSVP的俯沖板片附近的。目前，ULVZ成因一般有部分熔融和成分變化兩種。但單獨的部分熔融不能解釋ULVZ密度的增加。物質(zhì)變化則存在多種成因，如地核中鐵以及俯沖板片帶下去的碳與下地幔物質(zhì)的反應等。ULVZ無(wú)疑是核幔邊界物質(zhì)和熱量交換的結果，其分布和特征受地幔對流的影響。所以，通過(guò)對ULVZ分布和特征的研究，也能反推核幔邊界的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

　　 廣州地化所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室孫新蕾課題組選取了太平洋LLSVP周邊作為探索和發(fā)現ULVZ分布和結構特征的區域。一方面，太平洋周邊地震活動(dòng)和臺站分布比較多，可選擇的數據有保障；另一方面，太平洋LLSVP也是ULVZ研究比較多的區域，現有研究揭示，已經(jīng)在其北部，東北部，南部等邊界區域發(fā)現了ULVZ的存在（圖一）。

　　 該課題組主要關(guān)注太平洋LLSVP東部ULVZ的分布和特征。因為之前受限于數據和所用方法，這個(gè)區域一直沒(méi)有ULVZ的報道。更全面的太平洋LLSVP周邊ULVZ的分布和特征，有利于對比不同的ULVZ和周邊結構/動(dòng)力學(xué)過(guò)程的關(guān)系，從而能更精確的理解ULVZ的成因。

圖一： ULVZ在核幔邊界的分布（由Yu et al. 2018修改）。 紅色區域為已經(jīng)發(fā)現ULVZ的區域，藍色為沒(méi)有ULVZ的區域，綠色為本研究探測到ULVZ的區域。

　　在研究中，孫新蕾課題組采用了非傳統的地震波，即PKP的前驅波（圖二）。這種前驅波因為受核幔邊界不均勻結構的影響，在穿過(guò)地核的PKP波之前到達，并且攜帶了核幔邊界的結構信息(數據來(lái)自澳大利亞地震臺陣記錄到的南美的地震波信號)。

　　需要指出的是，本研究中的PKP前驅波和以往大多數的前驅波不同：以往的前驅波大多是雜亂無(wú)章的類(lèi)噪聲波形，而該課題組的數據則是有確定到時(shí)和相位的震相。因此，我們可以對這些前驅波的震相進(jìn)行一系列分析，確定它們對應的核幔邊界結構。

　　 圖二 （左） PKP路徑圖。其中虛線(xiàn)為因為核幔邊界的不均勻結構而產(chǎn)生的散射波，即PKP前驅波。（右）本研究中使用的PKP前驅波震相，以及與PKP(df 和cd)波的對比。

　　通過(guò)走時(shí)偏移、慢度分析、波形擬合等多種分析和測試，該課題組發(fā)現PKP前驅波是太平洋LLSVP東部邊界離散分布的小尺度ULVZ引起的。這些ULVZ的尺度大多在幾十公里，速度降為6%-10%。 研究區域LLSVP的東側邊界由于存在活躍的俯沖板片，變化比較尖銳，這種快速變化可能引發(fā)小尺度的對流，從而引發(fā)了ULVZ的離散分布。 此外，研究區域的北邊是Galapagos熱點(diǎn)所在，而對該熱點(diǎn)的巖漿進(jìn)行的成分和氦同位素分析，也表明該熱點(diǎn)來(lái)源為核幔邊界的富鎳的熔融物質(zhì)，而這些熔融物質(zhì)應該是核幔邊界的后鈣鈦礦或鐵方鎂石與地核中物質(zhì)反應的結果。這些ULVZ雖然是核幔物質(zhì)反應的產(chǎn)物，并在小尺度對流的作用下形成，考慮到附近上涌地幔柱的存在，我們也并不能完全排除熱的影響----實(shí)際上，部分熔融也應該是在熱的作用下對變化的物質(zhì)成分的作用（圖三）。

　　研究中新發(fā)現的這種小尺度的ULVZ 與太平洋LLSVP周邊其他ULVZ有所不同，它們的存在和分布進(jìn)一步證明了核幔邊界物質(zhì)反應對其成因的重要性，同時(shí)也對俯沖板片和地幔熱柱邊界的對流過(guò)程有了一定認識。

　　 圖三：研究區域ULVZ的分布及成因示意圖。下圖為南美洲到澳大利亞的剖面圖，背景為地幔速度分布圖。上圖為放大的黃色區域。 LLSVP邊緣由于板片俯沖和地幔熱住上涌造成的小尺度對流，會(huì )導致核幔反應的物質(zhì)混合/部分熔融，形成零散分布的小尺度ULVZ。

　　本文受?chē)易匀豢茖W(xué)基金（41774053）和中國科學(xué)院戰略性先導項目B（XDB18000000）資助。高頻波形擬合受?chē)易匀豢茖W(xué)基金委-廣東聯(lián)合基金資助，在天河二上進(jìn)行。

　　Ma, X., Sun, X., & Thomas, C. (2019). Localized ultra-low velocity zones at the eastern boundary of Pacific LLSVP. Earth and Planetary Science Letters, 507, 40-49.