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在主要热点地区下方的地幔底部，有宽阔的羽毛状沉积物

自然体积525，页面95 - 99 (2015）引用本文

主题

摘要

根植于地幔深处的热上涌岩石柱被认为是热点火山的可能起源，但这一观点是激烈辩论的主题1，2．根据地球动力学计算，纯热起源的羽状物应该包括只有几百公里宽的细尾3.，并且很难用标准的地震层析成像技术探测到。在这里，我们描述了一种全地幔地震成像技术的使用——将精确的波场计算与包含在整个地震波形中的信息相结合4-揭示了在许多突出的热点之下存在着宽阔(不是细的)、准垂直的管道。这些管道从地核-地幔边界延伸到地表以下约1000公里处，其中一些管道水平偏转，似乎被带入了更活跃的上地幔环流。在地幔底部，这些管道根植于剪切速度大大降低的斑块中，在夏威夷、冰岛和萨摩亚的情况下，这与已知的大型超低速度带的位置相对应5，6，7．这种对应关系清楚地建立了这些区域和地幔柱之间的连续联系。我们还表明，成像导管比经典的热羽尾更宽，这表明它们寿命很长8，并可能有热化学起源9，10，11．它们的垂直方向表明在1000公里深处的背景环流非常缓慢。研究结果为地幔黏度分层研究提供了约束条件，并指导了热化学对流的进一步研究。

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图1:SEMUCB-WM1模型中相对剪切速度变化的全地幔深度截面4，位于主要热点地区附近。
图2:太平洋超级井区横波速度结构的三维绘制。
图3:夏威夷、冰岛、圣赫勒拿岛和非洲超级羽流。
图4:SEMUCB-WM1模型中探测到的下地幔羽流位置4．

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下载参考

确认

我们感谢IRIS数据管理中心提供本研究中使用的波形数据。本研究由NSF研究生研究奖学金支持，NSF拨款EAR-1417229和ERC高级拨款WAVETOMO。计算在美国能源部科学办公室(合同DE-AC02-05CH11231)支持下的国家能源研究科学计算中心进行。

作者信息

作者指出

  1. 斯科特·弗伦奇

    现地址:†现地址:美国劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心，加州伯克利94720，美国

作者及隶属关系

  1. 加州大学伯克利分校地震实验室地球与行星科学系，美国加州94720

    斯科特·w·弗兰奇和芭芭拉·罗曼诺维奇

  2. 全球体质研究所，巴黎，75238，法国

    芭芭拉Romanowicz

  3. Collège de France，巴黎，75005，法国

    芭芭拉Romanowicz

作者
  1. 斯科特·弗伦奇
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  2. 芭芭拉Romanowicz
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贡献

B.R.和S.W.F.合作发展了本文的概念。B.R.编写了初稿，并通过不断的迭代共同完成了初稿。S.W.F.负责这项工作的大部分技术方面，包括大多数图形的实现，以及B.R.在图形设计方面的输入。B.R.负责图4和扩展数据表1．

相应的作者

对应到芭芭拉Romanowicz．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1模型间比较。

这些数字与中的横截面相对应图1c和d，垂直于太平洋绝对板块运动方向45．就像在图1，在插入图中表示截面，而白色和紫色圆圈表示沿截面的位置和方向。所示为相对横波速度(V年代)模型SEMUCB-WM1异常(本研究)，S40RTS(参考文献。46)， PRI-S05(参考。47)， HMSL-S06(参考。48)和GyPSuM(参考。49)，每一个都是相对于它自己的一维引用进行绘制的(后者的概念定义得很好:参见参考。48；在定义时，一维参考通常是全局平均值)。面板一个- - - - - -e对应于以麦当劳热点为中心的观点图1 d；面板f- - - - - -j对应于以皮特凯恩为中心的观点图1 c．这一比较表明，这五种模型在长波上是广泛兼容的。然而，在下地幔中，麦克唐纳和皮特凯恩羽流在SEMUCB-WM1中被更明确地定义为垂直导管，并且在这些横截面(几乎跨越了地球周长的一半)中，作为下地幔中最强和最连续的低速特征而脱颖而出。

扩展数据图2模型间比较。

这些比较对应于图1e, f，以类似的方式呈现扩展数据图1．我们再次发现SEMUCB-WM1, S40RTS, PRI-S05, hsll - s06和GyPSuM模型在长波上广泛兼容。然而，在下地幔，佛得角和金丝雀下面的羽流在SEMUCB-WM1中被更清楚地定义为孤立的垂直导管。此外，虽然我们确实观察到在SEMUCB-WM1成像的两个羽流之间存在某种程度的对应，并且在PRI-S05或HMSL中也存在一些异常(例如，佛佛角下面CMB的羽流根，或卡纳利下面1000公里左右的羽流横向平移)，但SEMUCB-WM1成像的异常明显的柱状性质形成了鲜明的对比。

扩展数据图3模型间比较。

这些横截面与扩展数据图1，但现在通过非洲LLSVP有两个近似正交的部分:一个- - - - - -e从西北到东南;f- - - - - -j由西南向东北。非洲LLSVP体积更大，因此在S40RTS、PRI-S05、hsll - s06和石膏中比其他羽流分解得更好。就像在扩展数据图2，我们再次注意到SEMUCB-WM1 (一个)， pri-s05 (c)及HMSL-S06 (d)在佛得角的羽流下面。

扩展数据图4线性分辨率分析，检查夏威夷和冰岛下面1000公里宽的合成全地幔和部分地幔羽的恢复。

合成羽流输入模型，如上图所示，具有- 2%的峰值振幅和余弦帽横向振幅剖面(因此，1%以上异常强度的有效宽度仅为500 km)。除了观察整个地幔羽流，我们还研究了在更大深度(1000公里、1500公里和2000公里)截断的羽流的恢复，以评估垂直涂抹。在合成输入模型中截断深度以上所见的人工现象是由于与用于参数化我们的模型的径向b样条基函数相关的轻微混叠现象。我们发现所有四个输入羽流都在夏威夷(中行)和冰岛(下行)下面得到了很好的恢复，前者数据覆盖相对密集，后者数据覆盖相对稀疏——尽管两者之间的振幅恢复略有不同(每个面板显示了恢复的最大振幅)。重要的是，我们没有看到横向(或者，在截断羽流的情况下，径向)涂抹的证据，我们也没有发现恢复的显著差距。然而，恢复振幅确实是深度的函数，在采样较差的中地幔(约为输入异常强度的一半)恢复相对较弱，但仍令人满意。有关在我们的反演上下文中线性分辨率分析所隐含的警告以及其他分辨率测试的更彻底的讨论，请参见参考文献。4．

图5线性分辨率分析。

类似于扩展数据图4．该分析再次以峰值强度为- 2%的全地幔和部分地幔柱为特征，但现在宽度为600 km(意味着1%异常强度以上的有效宽度仅为300 km)。我们再次发现，合成输入羽流恢复得相当好，没有横向或径向涂抹的证据，也没有恢复间隙。同时，我们发现恢复的振幅比更大的，1000公里宽的羽流要差，在某些情况下，恢复的振幅为输入的四分之一，我们注意到夏威夷和冰岛之间在振幅恢复上再次有轻微的差异。此外，我们注意到，在宽度为600公里或更低的地方使用合成羽流进行的测试超越了我们模型中使用的球样条横向基函数的极限，特别是在上地幔，其中样条间的绝对距离更大(尽管角距离保持不变)。

进一步的线性分辨率分析。

分析的是一个从CMB延伸到1000km深度的400公里宽的羽状导管，其横向剖面(余弦帽)和最大振幅(- 2%)与测试结构相似扩展数据图4和5．球面样条基的固有限制使我们无法以足够的保真度来表示这条狭窄的管道，以达到1000公里以上的测试目的。上面板，管状输入结构;下面板，分辨率测试产生的输出结构。我们观察到输出结构的宽度至少为800公里，但也明显弱于输入结构，在其底部附近表现出最大振幅为- 0.6%，而在其核心的其他地方仅达到- 0.3或- 0.4%。因此，我们可以推断，为了在整个下地幔的大部分地区保持接近- 2.0%的振幅，输入结构振幅至少需要增加10倍。后一种观察结果对有效超温有影响(见方法)。

图7上地幔和过渡区合成“悬挂”羽流输入结构的线性分辨率分析。

就像那些扩展数据图4和5在美国，这些羽流的总宽度为600公里，横向横截面为余弦帽，最大振幅为- 2%，但现在在410公里(左面板)或1000公里(右面板)深度被切割。本实验旨在评估深度涂抹在SEMUCB-WM1中的效果。上部面板，悬挂羽流输入模型。较低的面板，输出模型时，输入放置在夏威夷。我们注意到，总的来说，所获得的结构是相当对称的，并表现出适当的深度范围，除了在1000公里处截断的羽流，这表明了一个弱的东向带延伸到CMB。我们注意到，这种人工制品非常弱，通常小于0.1%的振幅，如底部面板所示，其中低于0.1%的结构被掩盖(即，波段至少比- 2%输入结构弱20倍)。此外，我们注意到这一特征完全不像我们在夏威夷下面拍摄的羽流，因为它具有非常不同的趋势和振幅剖面。

图8上地幔和过渡区合成“悬挂”羽流输入结构的线性分辨率分析。

这个数字与扩展数据图7，但现在研究的是冰岛的经济复苏。上部面板，悬挂羽流输入模型。较低的面板，输出模型时，输入放在冰岛下面。虽然振幅恢复比在夏威夷下面观察到的稍微不那么令人印象深刻，但所获得的结构再次相当对称，并表现出适当的深度范围扩展数据图4和5）.

表1 SEMUCB-WM1模型下地幔探测到的羽流4，及相应热点
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该文件包含，补充文本和数据，包括补充讨论，补充图1-10和其他参考文献。(PDF 206kb)

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弗伦奇，S.，罗曼诺维奇，B.在主要热点之下的地幔底部生根的宽阔的羽状物。自然525， 95-99(2015)。https://doi.org/10.1038/nature14876

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