地球核幔邊界（Core–Mantle Boundary, CMB）是連接地核和地幔的重要界面，通過該邊界的熱流大小及其空間分布不僅調控著地幔的熱演化（Lay et al., 2008），還直接影響外核對流和地磁場發電機運行（Stevenson, 2003）。然而，目前關于核幔邊界熱流的時空變化及其與深部地幔結構之間的關系仍存在較大爭議。尤其是在非洲和太平洋下方存在的大尺度低速省（Large Low Velocity Provinces, LLVPs），通常被認為是富含鐵且溫度較高的原始化學儲庫（Deschamps et al., 2011; Garnero et al., 2016），但它們如何影響核幔熱交換及地核演化仍缺乏系統研究。

針對這一問題，Frederic Deschamps等人開展了二維全球地幔熱-化學對流模擬研究，研究成果近日發表在Nature Geoscience（Deschamps et al., 2026）。研究團隊利用地幔對流數值模擬程序 StagYY（Tackley, 2008）開展了系統性的數值實驗，綜合考慮了熱導率隨溫度變化、LLVPs中放射性生熱元素富集以及化學密度異常等關鍵因素，從而更真實地描述地幔深部熱結構和熱量傳輸過程。

研究發現，溫度相關的非均勻熱導率顯著降低了核幔邊界平均熱流，并增強了該熱流的空間非均勻分布特性。由于LLVPs內部溫度顯著高于周圍地幔，其底部熱流極低，甚至低于地核絕熱熱流，導致局部區域出現負熱流，即熱量從地幔反向流入地核 （圖1）。研究表明，負熱流的形成需要同時滿足兩個條件：LLVPs中存在顯著放射性生熱元素富集，以及熱導率隨溫度升高而降低。 另一方面，研究還發現俯沖板塊到達核幔邊界時在短期內會產生高熱流，使核幔邊界熱流呈現強烈的空間和時間變化（圖2）。相比之下，LLVPs則控制了長期低熱流區和負熱流區的形成。兩者共同作用塑造了核幔邊界復雜的熱流分布格局（圖1）。

圖1 數值模擬得到的全球地幔溫度分布（a）、熱導率分布 （b）和成分場 （c），對應于成分場的核幔邊界熱流分布 （d）

研究進一步指出，LLVPs下方長期存在的亞絕熱甚至負熱流區域可能導致外核頂部形成局部穩定分層。這一結果不僅與近年來地震學研究揭示的外核頂部分層結構相吻合（Mound et al., 2019），也有助于解釋地磁場觀測中出現的局部磁通量斑塊增強現象（Amit, 2014）。此外，由于核幔邊界熱流非均勻性被認為是控制地磁極性倒轉頻率的重要因素（Olson and Amit, 2014）,LLVPs下方的低熱流和負熱流區域可能抑制磁場倒轉，而俯沖板塊到達核幔邊界所引起的高熱流則可能通過增強熱流非均勻性促進倒轉頻率發生變化。因此，LLVPs的長期演化以及板塊俯沖過程可能共同調控地球歷史上的地磁超靜期（superchron）和頻繁倒轉階段。

圖2 俯沖板塊到達并沿著核幔邊界擴散過程中溫度場（a）、成分場（b），以及俯沖板片在地幔底部溫度（c）、體積比（d）、核幔邊界最大熱流（e）、核幔邊界熱流非均勻性（f）、LLVPs溫度（g）、空間展布（h）、最小核幔邊界熱流（i）、負熱流斑塊總功率（j）等參數隨時間演化情況

該研究首次從地幔熱化學對流角度系統揭示了LLVPs下方負核幔邊界熱流產生的動力學機制，表明深部地幔結構不僅能夠調控地核冷卻效率，還可能通過改變外核頂部熱狀態影響地磁場長期演化。研究深化了對核幔耦合作用的認識，為理解地核頂部穩定分層、地磁場長期演化以及地磁超靜期形成機制提供了新的動力學框架，也為探索LLVPs、ULVZs等深部地幔結構與地磁場演化之間的聯系提供了新的思路。

主要參考文獻

Amit H. Can downwelling at the top of the Earth’s core be detected in the geomagnetic secular variation?[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2014, 229: 110-121.

Deschamps F, Guerrero J M, Amit H, et al. Negative core–mantle boundary heat flux beneath low-shear-wave-velocity provinces[J]. Nature Geoscience, 2026: 1-6.

Deschamps F, Kaminski E, Tackley P J. A deep mantle origin for the primitive signature of ocean island basalt[J]. Nature Geoscience, 2011, 4(12): 879-882.

Garnero E J, McNamara A K, Shim S H. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth's mantle[J]. Nature Geoscience, 2016, 9(7): 481-489.

Lay T, Hernlund J, Buffett B A. Core–mantle boundary heat flow[J].Nature geoscience, 2008, 1(1): 25-32.

Mound J, Davies C, Rost S, et al. Regional stratification at the top of Earth's core due to core–mantle boundary heat flux variations[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(7): 575-580.

Olson P, Amit H. Magnetic reversal frequency scaling in dynamos with thermochemical convection[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2014, 229: 122-133.

Stevenson D J. Planetary magnetic fields[J]. Earth and planetary science letters, 2003, 208(1-2): 1-11.

Tackley P J. Modelling compressible mantle convection with large viscosity contrasts in a three-dimensional spherical shell using the yin-yang grid[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2008, 171(1-4): 7-18.

（撰稿：李楊、蔡書慧、萬博/巖石圈演化學科中心，

王巍/地球與行星物理學科中心）