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非洲下方基底地幔结构的集合gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba603gydF4y2Ba，gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba846 - 851 (gydF4y2Ba2022gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

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一个gydF4y2Ba作者修正gydF4y2Ba本文发表于2022年5月27日gydF4y2Ba

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摘要gydF4y2Ba

板块构造塑造了地球表面，并与地球内部深处的运动有关gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．寒冷的海洋岩石圈下沉到地幔中，热的地幔柱从地球深处上升，导致火山活动gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．过去3.2亿年的火山爆发与目前位于非洲和太平洋下面的地幔底部的两个大结构有关gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．这导致了一种假设，即这些基底地幔结构在地质时期是稳定的gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba相比之下，观察和模型表明，地壳构造板块gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，俯冲带gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba地幔柱gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba一直在移动，基底地幔结构目前正在变形gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba．在这里，我们重建了10亿年前至今的地幔流动，以表明火山活动的历史在统计上与移动的基底地幔结构和固定的基底地幔结构是一致的。在我们的重建中，寒冷的岩石圈在7.4亿至5亿年前深入非洲半球，从4亿年前开始，非洲下面的结构在冈瓦纳附近板块的推动下逐渐组装，直到最近的6000万年前才成为一个连贯的结构。我们的地幔流动模型表明，基底地幔结构是可移动的，随着时间的推移聚集和分散，类似于地球表面的大陆gydF4y2Ba9gydF4y2Ba．我们的模型还预测了非洲地幔中存在大陆物质，这与地球化学数据一致gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

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图1:320 Ma至今的下地幔结构和火山喷发位置。gydF4y2Ba
图2:基底地幔结构与重建喷发位置之间的距离分布。gydF4y2Ba
图3:模型基底地幔结构与火山喷发位置和层析模型的匹配。gydF4y2Ba
图4:非洲基底地幔结构与地球深部大陆地壳的动态组合。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

本研究所产生的数据载于gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5281/zenodo.6031641gydF4y2Ba．gydF4y2Ba源数据gydF4y2Ba提供了这篇论文。gydF4y2Ba

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用于计算地幔流动模型的代码可在gydF4y2Bahttps://github.com/EarthByte/citcomsgydF4y2Ba．数字gydF4y2Ba1gydF4y2Ba是用通用映射工具创建的gydF4y2Ba82gydF4y2Ba(GMT6)，这是一种基于GNU Lesser General Public License的开源软件。计算结果的关键Python脚本如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba可于gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5281/zenodo.6031641gydF4y2Ba．数据gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba使用开源Python库MatplotlibgydF4y2Ba83gydF4y2Ba和无花果。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba是用ParaView创建的gydF4y2Ba67gydF4y2Ba，在3-Clause BSD许可证下公开共享。gydF4y2Ba

改变历史gydF4y2Ba

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    谷歌学者gydF4y2Ba

下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

N.F.和Ö.F.B。由澳大利亚研究委员会资助LP170100863(行业合作伙伴:戴比尔斯)。本课题获得国家自然科学基金项目41972237和澳大利亚研究委员会项目DP180102280和DP200100966的资助。A.S.M.得到了深碳天文台和理查德·朗斯贝里基金会的支持。这项研究得到了澳大利亚政府的国家合作研究基础设施战略(NCRIS)的支持，通过国家计算价值分配计划和伍伦贡大学(UOW)获得了国家计算基础设施(NCI)提供的计算资源。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者指出gydF4y2Ba

  1. 安德鲁·s·默迪斯gydF4y2Ba

    现地址:英国利兹大学地球与环境学院gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

  1. 澳大利亚新南威尔士州卧龙岗大学地球、大气和生命科学学院GeoQuEST研究中心gydF4y2Ba

    尼古拉斯·弗拉芒特& Ömer F.博杜尔gydF4y2Ba

  2. 西北大学地质学系，中国西安gydF4y2Ba

    西蒙·e·威廉姆斯gydF4y2Ba

  3. 里昂大学，Université里昂1，里昂高等师范学院，CNRS, UMR 5276 LGL-TPE，维勒班，法国gydF4y2Ba

    安德鲁·s·默迪斯gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. 尼古拉斯FlamentgydF4y2Ba
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  2. Ömer F.博杜尔gydF4y2Ba
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  3. 西蒙·e·威廉姆斯gydF4y2Ba
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  4. 安德鲁·s·默迪斯gydF4y2Ba
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    您也可以在gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

说明:概念化、方法论、软件、验证、形式分析、调查、撰写原稿和可视化。O.F.B.：methodology, software, formal analysis, review and editing of the paper, and visualization. S.E.W.: methodology, software, and review and editing of the paper. A.S.M.: resources and review and editing of the paper.

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba尼古拉斯FlamentgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba

同行评审gydF4y2Ba

同行评审信息gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba感谢Allen McNamara和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。gydF4y2Ba同行评审报告gydF4y2Ba是可用的。gydF4y2Ba

额外的信息gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1所考虑的火山爆发的时间分布。gydF4y2Ba

显示火山爆发次数随年龄变化的柱状图。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，回到320毫安。gydF4y2BabgydF4y2Ba，回到640毫安。括号内列出了每个数据库所考虑的期间内火山爆发的次数。数据库:J18(参考。gydF4y2Ba40gydF4y2Ba)和T18(参考。gydF4y2Ba41gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

扩展数据图2不同重建的320 Ma火山爆发位置。gydF4y2Ba

高速(白色)和低速(灰色)区域显示gydF4y2BakgydF4y2Ba- Savani地震层析模型在1000千米到2800千米深度之间的聚类分析gydF4y2Ba26gydF4y2Ba，以及火山爆发的位置(钻石，J18，参考。gydF4y2Ba40gydF4y2Ba)和金伯利岩(圆，T18，参考。gydF4y2Ba41gydF4y2Ba)在火山喷发时重建，并在今天使用构造重建M16(参考文献)显示。gydF4y2Ba44gydF4y2Ba；gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba构造重建Y19(参考文献)。gydF4y2Ba45gydF4y2Ba；gydF4y2BabgydF4y2Ba)，构造重建M21(参考文献;gydF4y2Ba10gydF4y2Ba；gydF4y2BacgydF4y2Ba)、无净旋构造重建M21-NNR(无净旋或“NNR”)(gydF4y2BadgydF4y2Ba)．在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，棕色线是现在的海岸线。地球表面的罗宾逊投影。gydF4y2Ba

图3地幔流与层析模型相对于Savani层析模型的下地幔结构空间匹配，以及从Savani到热基底地幔结构的距离。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，揭示了地幔结构的交叉点gydF4y2BakgydF4y2Ba- Savani层析模型在1000千米到2800千米之间的聚类分析gydF4y2Ba26gydF4y2Ba地幔流动模型案例1-9。橙色(真阳性)表示高温模式区和低速层析区，灰色(真阴性)表示低温模式区和高速层析区，绿色(假阳性)表示高温模式区和高速层析区，蓝色(假阴性)表示低温模式区和低速层析区。gydF4y2BabgydF4y2Ba，如gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba但也适用于Savani层析模型和其他层析模型。橙色(真阳性)表示两个模型的低速区域，灰色(真阴性)表示两个模型的高速区域，绿色(假阳性)表示Savani的高速区域和其他模型的低速区域，蓝色(假阴性)表示Savani的低速区域和其他模型的高速区域。gydF4y2BacgydF4y2Ba，到llsvp边缘或内部(如所示)的角距离(AD)(由红色轮廓线勾画)，由gydF4y2BakgydF4y2Ba-均值1000 - 2800 km深度层析Savani模型的聚类分析。在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba而且gydF4y2BabgydF4y2Ba，白线表示s波层析模型中低速区域投票图中的值为5(实线)和值为1(虚线)gydF4y2Ba42gydF4y2Ba．现今的海岸线用黑色表示gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba．地球表面的罗宾逊投影。gydF4y2Ba

图4基底地幔结构与火山喷发位置距离分布。gydF4y2Ba

样本经验分布函数(EDFs;蓝线)表示过去320 Myr火山爆发地点(J18和T18)与最近BMS之间最小角距离的累积概率。灰线是一系列的1000个随机EDF，每个由随机位置的点组成，时间分布与样本EDF相同。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，用于所示的s波层析模型。gydF4y2BabgydF4y2Ba，对于地幔流动模型的案例1-22。gydF4y2Ba

图5不同构造重建的火山爆发位置、层析模型和地幔流动模型的匹配。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，分数面积gydF4y2BafgydF4y2Ba一个gydF4y2Ba慢bms(层析成像)或热bms(流动模型，平均超过320 Myr)覆盖的簇图的表面。gydF4y2BabgydF4y2Ba，空间匹配gydF4y2Ba\(\眉题{{\ rm {Acc}}} \)gydF4y2Ba特定病例的当前bms与通过层析模型成像的LLSVPs之间的差异。gydF4y2BacgydF4y2Ba，最小角距离的时间平均中值gydF4y2Ba\ (\ widetildeθ}{\ \)gydF4y2Babms和320 Ma火山喷发位置之间的关系。gydF4y2BadgydF4y2Ba,分数gydF4y2BafgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba样本EDF通过了统计检验。在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，前4行为层析模型(静态llsvp)和不同构造重建的结果，第5行和最后一行为基于不同构造重建的一系列地幔流动模型(移动bms)的结果。NNR，无净旋转参考系;MFM，地幔流动模型。构造重建:M16，参考。gydF4y2Ba44gydF4y2Ba；Y19 ref。gydF4y2Ba45gydF4y2Ba；M21、裁判。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba．水平线表示参考情况。灰色阴影进来了gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba突出显示层析模型的结果范围。gydF4y2Ba

源数据gydF4y2Ba

扩展数据图6模型基底地幔结构与火山喷发位置和层析模型的匹配:结构内部和超过640 Myr。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，与BMS内饰配套。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，分数面积gydF4y2BafgydF4y2Ba一个gydF4y2Ba慢bms(层析成像)或热bms(流动模型，平均超过320 Myr)覆盖的簇图的表面。gydF4y2BabgydF4y2Ba，空间匹配gydF4y2Ba\(\眉题{{\ rm {Acc}}} \)gydF4y2Ba特定病例的当前bms与通过层析模型成像的LLSVPs之间的差异。gydF4y2BacgydF4y2Ba，最小角距离的时间平均中值gydF4y2Ba\ (\ widetildeθ}{\ \)gydF4y2Ba介于bmms和火山爆发地点之间，考虑bmms内的距离为零，而从其边缘向外为正。gydF4y2BadgydF4y2Ba,分数gydF4y2BafgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba样本EDF通过了统计检验。gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba，匹配BMS边缘超过640 Myr。gydF4y2BaegydF4y2Ba，分数面积gydF4y2BafgydF4y2Ba一个gydF4y2Ba热bms(在流动模型中，平均超过640 Myr)或慢bms(在层析成像中)覆盖的簇图表面。gydF4y2BafgydF4y2Ba，同gydF4y2BabgydF4y2Ba．gydF4y2BaggydF4y2Ba，最小角距离的时间平均中值gydF4y2Ba\ (\ widetildeθ}{\ \)gydF4y2Babms和640 Ma火山爆发地点之间的关系。gydF4y2BahgydF4y2Ba，同gydF4y2BadgydF4y2Ba．在gydF4y2BaggydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba，开放符号表示M21重建结果，而不是M21- nnr。在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba，第一行显示了一系列层析模型(固定llsvp)的结果，随后的行显示了地幔流模型(移动bms)的结果，其中参数根据指示变化。BL，基底层;T1-T7，层析模型1-7;C1-C12，地幔流动模型案例1-12。水平线表示参考情况。灰色阴影进来了gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaggydF4y2Ba突出显示层析模型的结果范围。gydF4y2Ba

源数据gydF4y2Ba

图7模型基底地幔结构与火山喷发位置和层析模型的匹配:不同模型参数和非洲半球。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，按指示匹配不同的模型参数。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，分数面积gydF4y2BafgydF4y2Ba一个gydF4y2Ba慢bms(层析成像)或热bms(流动模型，平均超过320 Myr)覆盖的簇图的表面。gydF4y2BabgydF4y2Ba，空间匹配gydF4y2Ba\(\眉题{{\ rm {Acc}}} \)gydF4y2Ba特定病例的当前bms与通过层析模型成像的LLSVPs之间的差异。gydF4y2BacgydF4y2Ba，最小角距离的时间平均中值gydF4y2Ba\ (\ widetildeθ}{\ \)gydF4y2Babms和320 Ma火山喷发位置之间的关系。gydF4y2BadgydF4y2Ba,分数gydF4y2BafgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba样本EDF通过了统计检验。gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba，匹配在非洲半球。gydF4y2BaegydF4y2Ba，同gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba但是对于不同的模型情况。gydF4y2BafgydF4y2Ba，全局空间匹配gydF4y2Ba\(\眉题{{\ rm {Acc}}} \)gydF4y2Ba特定病例的当前bms与通过层析模型成像的LLSVPs之间的差异。gydF4y2BaggydF4y2Ba，最小角距离的时间平均中值gydF4y2Ba\ (\ widetildeθ}{\ \)gydF4y2Ba在非洲半球的bms和火山爆发地点之间(在位于0°N, 11°E的点的10,000公里内;ref。gydF4y2Ba47gydF4y2Ba)从320 Ma开始。gydF4y2BahgydF4y2Ba，对于非洲半球内的点数，用分数表示gydF4y2BafgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba样本EDF通过了统计检验。在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba，第一行显示了一系列层析模型(固定llsvp)的结果，随后的行显示了地幔流模型(移动bms)的结果，其中参数根据指示变化。C1-C22，地幔流动模型案例1-22;T1-T7，层析模型1-7;ISD，初始板深;PCD，相变深度;BL，基底层。水平线表示参考情况。灰色阴影进来了gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaggydF4y2Ba突出显示层析模型的结果范围。gydF4y2Ba

源数据gydF4y2Ba

扩展数据图8构造重建和合成海底年龄快照。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba，构造改造地块位置M21-NNRgydF4y2Ba10gydF4y2Ba在无净旋转框架与合成海底年龄gydF4y2Ba62gydF4y2Ba．快照显示在740 Ma (gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)， 550毫安(gydF4y2BabgydF4y2Ba)、400 Ma (gydF4y2BacgydF4y2Ba)， 250 Ma (gydF4y2BadgydF4y2Ba)， 100 Ma (gydF4y2BaegydF4y2Ba)， 0 Ma (gydF4y2BafgydF4y2Ba)．重建的俯冲带在上覆板块上以带三角形的黑线表示，重建的洋中脊和转换断层以浅橙色表示，重建的古代大陆内部以带图案填充的浅灰色多边形表示，现代海岸线以白色表示gydF4y2BafgydF4y2Ba．颜色刻度表明了海洋地壳的古年龄。WGB, Gondwanan地块西部;PTNM，古特提斯北缘;GWM，冈瓦纳西部边缘。地球表面的罗宾逊投影。gydF4y2Ba

扩展数据图9模型初始温度场和当前温度、粘度。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，情形7在1,000 Ma时的初始温度场。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，水深109千米。重建的俯冲带为红色，洋中脊和转换断层为黄色，大陆块体为灰色。地球表面的罗宾逊投影。gydF4y2BabgydF4y2Ba，沿赤道截面的温度(绿线在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)．高于色标的数字表示无量纲温度，低于色标的数字表示开尔文温度。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，现今地幔水平平均温度(gydF4y2BacgydF4y2Ba)和粘度(gydF4y2BadgydF4y2Ba)．灰色的线gydF4y2BadgydF4y2Ba粘度剖面是否调整以适应大地水准面和冰川后反弹gydF4y2Ba60gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据表1地幔流动模型的边界条件和参数gydF4y2Ba
全尺寸表gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

同行评审文件gydF4y2Ba

41586 _2022_4538_moesm2_esm.mp4gydF4y2Ba

补充视频1gydF4y2Ba下地幔的结构和640 Ma至今火山爆发的位置。gydF4y2Ba通过聚类分析，22个地幔流模型案例和7个层析模型在1000公里至2800公里深度之间揭示了高速(白色)和低速(灰色)区域，以及从640 Ma以20 myr增量重建的火山喷发(钻石，J18，参考文献40)和金伯利岩(圆形，T18，参考文献41)的位置。结果显示，从40 Myr开始到600 Ma后开始的模型。显示了在考虑年龄10亿米以内的火山爆发的位置。黑线表示s波层析模型[42]中低速区域投票图中的值(实线)和值1(虚线)。符号因年龄而着色。gydF4y2Ba

41586 _2022_4538_moesm3_esm.mp4gydF4y2Ba

补充视频2gydF4y2Ba640 Ma至今地幔流与层析模型空间匹配的演化与Savani层析模型gydF4y2Ba交叉地幔结构揭示gydF4y2BakgydF4y2Ba-均值在1000公里至2800公里之间对层析模型Savani[26]和22个地幔流模型案例以及7个层析模型地幔流进行聚类分析，自640 Ma以20 myr的增量开始。结果显示，从40 Myr开始到600 Ma后开始的模型。橙色(真阳性)表示高温(低速)区域和低速层析区域，灰色(真阴性)表示低温(高速)区域和高速层析区域，绿色(假阳性)表示高温(低速)区域和高速层析区域，蓝色(假阴性)表示低温(快速)区域和低速层析区域。白线表示在s波层析模型[42]中低速区域的投票图中，值为5(实线)和值为1(虚线)。的时间依赖值gydF4y2Ba\(\眉题{{\ rm {Acc}}} \)gydF4y2Ba报告在每个面板旁边。gydF4y2Ba

41586 _2022_4538_moesm4_esm.mp4gydF4y2Ba

补充视频3gydF4y2Ba非洲地幔域740 Ma至今的地幔温度演化gydF4y2Ba案例7预测的地幔结构比300公里以下的环境地幔冷155k(用冷色表示深度)，比170公里以下的环境地幔热310k(用暖色表示深度)，显示非洲地幔域自740 Ma以来的20 myr增量(视频以本初经线为中心，经度0°)。重构板边界为青色，栅格间距为30°。gydF4y2Ba

补充视频4gydF4y2Ba非洲地幔域740 Ma至今的地幔温度演化gydF4y2Ba与补充视频3相同，但适用于情形4。gydF4y2Ba

补充视频5gydF4y2Ba非洲地幔域740 Ma至今的地幔温度演化gydF4y2Ba与补充视频3相同，但适用于情形9。gydF4y2Ba

41586 _2022_4538_moesm7_esm.mp4gydF4y2Ba

补充视频6gydF4y2Ba740 Ma至今非洲地幔域大陆地壳的再循环。gydF4y2Ba地幔结构比170公里以下的环境地幔热310k(用暖色表示深度)，地幔预计由至少5%的大陆地壳组成(170公里以下，用冷色表示深度)，非洲地幔域自740 Ma以来以20 myr的增量显示(视频以本初子午线为中心，经度0°)。重构板边界为青色，栅格间距为30°。gydF4y2Ba

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补充视频7gydF4y2Ba740 Ma至今太平洋地幔域大陆地壳的再循环。gydF4y2Ba地幔结构比170公里以下的环境地幔热310k(用暖色表示深度)，预计地幔由至少5%的大陆地壳组成(170公里以下，用冷色表示深度)，太平洋地幔域自740 Ma以来以20 myr的增量显示(视频以日期变更线为中心，180°经度)。重构板边界为青色，栅格间距为30°。gydF4y2Ba

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Flament, N.， Bodur， Ö.F。，威廉姆斯，南卡罗来纳州gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba非洲下方基底地幔结构的集合。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba603gydF4y2Ba， 846-851(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04538-ygydF4y2Ba

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