中国科大为地质记录中的长周期变化提供统一解释
近日，学院冷伟教授团队通过三维全球地幔热化学对流数值模拟，首次系统揭示了超大陆周期如何通过调控地幔对流结构和地幔柱活动，形成全球碎屑锆石和大火成岩省（LIP）时间分布中观测到的长周期变化现象。该研究成果以"Supercontinent cycles modulate mantle structure and plume activity: A mechanism to form long-term periodicity in detrital zircons and LIPs records" 为题，发表于国际地学一流期刊《Earth and Planetary Science Letters》。
地球地表存在着两类极为重要的地质记录：全球碎屑锆石的U-Pb 年龄分布是追踪地壳生长的重要指标，而LIPs的时空分布则是地幔柱活动的重要表征。值得注意的是，二者均存在约4 亿年的长期周期性变化，且部分峰值高度同步。这两类看似独立的地质记录为何会呈现出如此显著的同步周期性？其背后的动力学机制一直是地球科学领域亟待解答的关键问题。
图一： 去趋势的碎屑锆石U-Pb年龄分布（黄线）以及LIP数量的时间分布（蓝色条柱与蓝线）
该研究在模型中纳入了660km相变、核幔边界上方的大低剪切波速省（LLSVPs）等关键结构。创新之处在于，模型在地表施加了经整合的过去20 亿年的板块重建数据，并结合深源地幔柱识别方案和球谐分析方法，定量研究了三次完整的超大陆旋回过程（Columbia，Rodinia，Pangea）中地幔柱活动和地幔结构的变化趋势。
图二：碎屑锆石和LIPs的时间序列以及参考模型的地幔结构和地幔柱活动变化
通过系统的数值模拟，研究团队取得了三项核心发现：
1．超大陆周期是地幔结构和地幔柱活动长期变化的首要驱动力。 自中元古代以来，地幔对流的温度场结构基于球谐函数展开得到的二阶（degree-2）和四、五阶分量，以及地幔柱的数量和热通量，均呈现出与超大陆周期相关的长周期变化，周期约为4 亿年。
2．超大陆周期通过不同机制分别调控锆石和大火成岩省的形成。 碎屑锆石年龄记录中的峰值，与环超大陆俯冲引起的二阶地幔对流功率峰值高度对应；LIP数量的峰值，则与高阶地幔对流功率和地幔柱热通量峰值强相关。
3．验证了 "超大陆 – 超地幔柱" 耦合机制。研究证实，环超大陆俯冲会将LLSVPs和地幔柱聚集在超大洋和超大陆下方，从而驱动全球范围内更强的地幔柱活动，这可能与超大陆的裂解密切相关。
该研究的重要意义在于，建立了深部地幔过程与表层地质记录之间的定量联系，并为这种联系阐明了动力学控制机制，为理解地球系统的长期演化提供了参考理论框架，具有重要的地球系统科学价值。
论文第一作者为我院硕士生朱沛荣，通讯作者为冷伟教授。研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。
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