Science：地球物理与地球化学联合揭示东非—印度洋深地幔分区

板内热点火山远离典型板块边界，通常认为由起源于深地幔的地幔柱供给。因此，热点火山岩为认识地球深部物质组成和演化提供了重要窗口。几十年来，火山岩中的Sr-Nd-Pb等放射成因同位素被广泛用于追踪地幔源区，其显著的同位素差异表明，深部地幔并非化学组成均一的储库，不同热点可能采样了具有不同组成特征的地幔源区。与此同时，地震层析成像也在核幔边界上方发现了尺度达数千公里的大型低剪切波速省（large low shear velocity province, LLSVP）以及从深部向上的低速异常，为追踪热点与深部结构之间的联系提供了另一类独立证据。然而，一个关键问题始终没有解决：地表观测到的热点地球化学分区，究竟对应深地幔中的什么结构？地球化学指标能够告诉我们深部物质“具有什怎样的化学特征”，却难以直接给出其空间位置；地震成像能够告诉我们深部低速异常结构“在哪里”，却无法给出其化学组成。如何将这两类证据统一到同一个三维地幔框架中，建立热点地球化学分区与深部地幔结构之间的空间联系是认识深地幔组成结构和地幔柱起源演化的关键问题。

经典地幔柱模型通常把热点与一条从核幔边界近垂直上升的高温通道联系起来，因此过去常把热点位置直接向下投影至核幔边界，并据此讨论其深部来源。然而，近年的高分辨率地震层析成像逐渐显示，许多热点下方的低速异常远比简单的“垂直管道”复杂：它们可能发生倾斜、侧向偏转、在局部变弱或不连续，也可以分叉、汇合并形成彼此联通的低速异常网络。与此同时，地球动力学数值模拟也表明，受地幔流动、粘滞度和热化学边界结构等因素的影响，地幔柱上升过程中会演化出复杂形态。这意味着，地表热点与核幔边界之间并不存在唯一而显而易见的对应关系：同一个热点可能对应多条合理的深部连接路径，而简单的垂直投影甚至可能将其归入错误的源区。因此，真正需要解决的不是从地震层析成像中寻找“哪一条低速异常最像地幔柱”，而是如何在不预设地幔柱几何形态的情况下，理解从热点到核幔边界的所有合理连接路径，从而更加客观地约束热点可能的深部来源。

近日，哈佛大学鲍习源、伯尔尼大学Mathurin Dongmo Wamba和明斯特大学Andreas Stracke在《Science》发表研究，将这一问题重新表述为图网络中的多路径搜索，并把由地震学得到的热点源区关系与五维同位素数据的机器学习聚类结果进行独立比较（Bao et al., 2026）。研究以东非和印度洋八个热点为例，发现地震学和地球化学两套完全不同的数据都将这些热点划分为相同的三个主要群组。这种跨学科的一致性表明，不同热点之间的地球化学相似性可能直接对应其深地幔源区的空间联系。基于这一结果，研究进一步提出该区域核幔边界附近约1000公里尺度的一阶联合地球物理—地球化学分区图，为直接联系地表热点的化学组成与深地幔空间结构提供了新的观测约束。

研究采用东非—印度洋区域地幔全波形层析模型SEMINDO-WM3（Wamba et al. 2023），选取Afar（阿法尔）、East Africa（东非）、Comores（科摩罗）、La Réunion（留尼汪）、Marion（马里恩）、Crozet（克罗泽）、Kerguelen（凯尔盖朗）和Amsterdam–St. Paul（阿姆斯特丹—圣保罗）八个热点，将三维低速异常离散为图网络，并把热点至深地幔的连接转化为路径搜索问题。与传统方法寻找单一“最佳地幔柱”不同，研究不预设地幔柱必须垂直、连续或具有固定形态，而是综合路径长度和低速异常强度，参照“地图导航路线”算法，为每个热点保留7条合理候选路径。这样既允许地幔柱发生倾斜、偏转和汇合，也保留了层析成像有限分辨率所带来的非唯一性。例如，留尼汪热点既存在相对垂直但经过较弱低速区的路径，也存在侧向偏转超过10°、但沿更强低速异常延伸的路径，多条路径在约1000 km深度附近汇合，显示深部上涌结构可能更接近彼此连通的网络，而非相互独立的垂直“细管”（图1、图2）。进一步地，研究根据不同热点候选路径共享深部低速源区的程度构建相似度矩阵，并进行层级聚类。结果将八个热点稳定划分为三个主要群组：Afar–East Africa–Comores（AEC）、La Réunion，以及Marion–Crozet–Kerguelen–St. Paul（MCKS）；其首选路径分别主要连接核幔边界上方W1、E2和E3三个约千公里尺度的深部低速区（图3）。改变路径数量、低速阈值和网格参数，并采用独立层析模型GLAD-M35重复分析后，主要分组仍保持稳定。因此，这一方法的核心并不是确定某一条“最佳地幔柱”的精细形态，而是利用多路径统计，更稳健地识别约1000 km尺度的热点—深部源区关系。

图1 热点、低剪切波速异常与候选地幔柱路径。图中概括了偏转、倾斜、不连续和互联网络等低速异常形态，并展示研究区八个热点、SEMINDO-WM3三维低速结构以及留尼汪热点的多条候选路径
图2 留尼汪热点候选地幔柱路径的三维形态。不同候选路线沿层析模型中的低速异常向深部延伸，可表现为近垂直或明显侧向偏转以及近似断开的弱连接，并在中地幔发生汇合

图3 候选地幔柱路径推断的深部源区及其聚类。（A）约2500公里深度的候选源位置、首选源区和联合分区边界；（B）不同热点之间共享源位置的数量及层次聚类。路径关系首先区分AEC与非AEC热点，并进一步把La Réunion与MCKS分开

地震学分析可以给出热点的空间分组，却无法判断不同深部源区是否真有不同的化学组成。为此，团队进一步引入与地震层析完全独立的地球化学数据，重新汇集全球及区域玄武岩的五维同位素信息，包括87Sr/86Sr、143Nd/144Nd以及208,207,206Pb/204Pb，先在样品层面通过非线性降维（t-SNE）和聚类识别18个同位素样品群，再根据各热点中不同样品群所占比例计算热点之间的化学相似性 （Stracke et al. 2022）。结果显示：在完全不使用地震路径和热点空间位置信息的情况下，地球化学数据独立得到与地震学相同的三个热点群组：AEC、La Réunion和MCKS（图4）。两套分析的观测对象完全不同：地震学刻画热点与哪些深部低速区相连，地球化学记录其地幔源区长期的同位素演化历史，而二者最终得到一致的区域分组。这种独立证据之间的高度一致，为将地表热点的化学特征追溯至深地幔空间位置提供了关键约束。

图4 五维同位素空间中的热点与洋中脊地球化学聚类。（A）研究区玄武岩样品在全球同位素样品群中的分类；（B）不同热点或洋中脊之间的同位素相似性及层次聚类。地球化学独立识别出AEC、La Réunion和MCKS三个主要群组

将地震学与地球化学两条独立证据链结合后，团队进一步提出了非洲LLSVP东部的一阶深地幔分区图。在当前地震成像能够分辨的尺度上，至少可以识别出与AEC、La Réunion和MCKS三组热点相对应的三个约1000公里尺度区域，其首选路径分别连接W1、E2和E3深部的低速区。这里的“分区”并不意味着已经解析出清晰、锐利的化学边界，而是在当前地震成像能够分辨的尺度上，识别出彼此具有不同热点地球化学关联的深部源区。

这一结果为理解 LLSVP 的物理化学性质提供了新的约束。如果非洲LLSVP只是一个成分近似均一、主要由高温造成的低速异常，就很难解释为什么来自不同区域的热点能够长期保持稳定且系统性的同位素差异。地震学源区分组与地球化学分组的一致性因此更支持LLSVP内部存在长期保存的热—化学不均一性。这些约1000 km尺度的组成差异能够经历长期地幔对流而得以保存，也意味着最下部地幔并未被充分混合，其中可能保存早期地球分异形成的古老物质，也可能包含后来俯冲至深地幔的再循环组分。研究还发现，地幔柱路径的偏转和汇合集中出现在约660–1000 km深度，提示中地幔黏度、密度或相变结构可能对深部上涌路径产生重要控制。尽管当前结果还不能仅凭路径形态确定究竟是哪一种物性变化在起作用，但它提示，未来若能在全球范围系统统计地幔柱偏转、停滞和汇合的深度，或可反过来约束中地幔的流变和密度结构。过去五十年中，地幔柱概念也正是随着观测分辨率提高和动力学模拟更深入，从细长“蘑菇头”热柱逐步发展到宽广、偏转、分叉乃至互联网络等更复杂形态（图5）。

图5 地幔柱概念模型的演化。过去五十年间，地幔柱认识由细长垂直热柱逐步发展为可受LLSVP边缘、中地幔结构和背景流动影响的宽广、偏转、分叉和互联上涌；该研究对应“互联地幔柱状结构网络”的概念

更重要的是，这项工作的意义并不是为每个热点寻找一根确定的“深部地幔柱管道”，而在于改变了热点深部源区的研究方式。面对互联、偏转且分辨率有限的地幔速度结构模型，与其寻找唯一的最佳路径，不如保留多条合理路径，并从其共享源区的统计关系中寻找稳定的空间组织，再利用独立地球化学观测进行检验。这项研究把地震层析成像与热点地球化学从两张彼此独立的“地图”连接起来，为认识深地幔化学域的空间尺度、长期保存及其形成机制提供了新的研究框架。随着海底地震观测继续增加、全地幔成像对不确定性的描述进一步完善，动力学上对多尺度地幔对流更深的理解，以及热点岩石的地球化学和岩石学数据更加完整，这种联合约束有望逐步检验深地幔不同化学域的边界、保存时间及其形成机制，并进一步回答一个更基础的问题：经历数十亿年对流之后，地球最深部究竟还保存着多少没有被充分混合的古老物质和新引入的化学异质性。

主要参考文献

Bao X, Dongmo Wamba M, Stracke A. A joint geophysical-geochemical deep-mantle zoning map beneath East Africa and the Indian Ocean[J]. Science, 2026, 393(6812): 684-689.

Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle[J]. Nature, 1971, 230(5288): 42-43.

Bao X, Lithgow-Bertelloni C R, Jackson M G, et al. On the relative temperatures of Earth’s volcanic hotspots and mid-ocean ridges[J]. Science, 2022, 375(6576): 57-61.

Cui C, Lei W, Liu Q, et al. GLAD-M35: a joint P and S global tomographic model with uncertainty quantification[J]. Geophysical Journal International, 2024, 239(1): 478-502.

Dongmo Wamba M, Montagner J P, Romanowicz B. Imaging deep-mantle plumbing beneath La Réunion and Comores hot spots: Vertical plume conduits and horizontal ponding zones[J]. Science advances, 2023, 9(4): eade3723.

Stracke A, Willig M, Genske F, et al. Chemical geodynamics insights from a machine learning approach[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2022, 23(10): e2022GC010606.

（撰稿：鲍习源/哈佛大学，王新/地球与行星物理学科中心）