地球核幔边界（Core–Mantle Boundary, CMB）是连接地核和地幔的重要界面，通过该边界的热流大小及其空间分布不仅调控着地幔的热演化（Lay et al., 2008），还直接影响外核对流和地磁场发电机运行（Stevenson, 2003）。然而，目前关于核幔边界热流的时空变化及其与深部地幔结构之间的关系仍存在较大争议。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），通常被认为是富含铁且温度较高的原始化学储库（Deschamps et al., 2011; Garnero et al., 2016），但它们如何影响核幔热交换及地核演化仍缺乏系统研究。

针对这一问题，Frederic Deschamps等人开展了二维全球地幔热-化学对流模拟研究，研究成果近日发表在Nature Geoscience（Deschamps et al., 2026）。研究团队利用地幔对流数值模拟程序 StagYY（Tackley, 2008）开展了系统性的数值实验，综合考虑了热导率随温度变化、LLVPs中放射性生热元素富集以及化学密度异常等关键因素，从而更真实地描述地幔深部热结构和热量传输过程。

研究发现，温度相关的非均匀热导率显著降低了核幔边界平均热流，并增强了该热流的空间非均匀分布特性。由于LLVPs内部温度显著高于周围地幔，其底部热流极低，甚至低于地核绝热热流，导致局部区域出现负热流，即热量从地幔反向流入地核 （图1）。研究表明，负热流的形成需要同时满足两个条件：LLVPs中存在显著放射性生热元素富集，以及热导率随温度升高而降低。 另一方面，研究还发现俯冲板块到达核幔边界时在短期内会产生高热流，使核幔边界热流呈现强烈的空间和时间变化（图2）。相比之下，LLVPs则控制了长期低热流区和负热流区的形成。两者共同作用塑造了核幔边界复杂的热流分布格局（图1）。

图1 数值模拟得到的全球地幔温度分布（a）、热导率分布 （b）和成分场 （c），对应于成分场的核幔边界热流分布 （d）

研究进一步指出，LLVPs下方长期存在的亚绝热甚至负热流区域可能导致外核顶部形成局部稳定分层。这一结果不仅与近年来地震学研究揭示的外核顶部分层结构相吻合（Mound et al., 2019），也有助于解释地磁场观测中出现的局部磁通量斑块增强现象（Amit, 2014）。此外，由于核幔边界热流非均匀性被认为是控制地磁极性倒转频率的重要因素（Olson and Amit, 2014）,LLVPs下方的低热流和负热流区域可能抑制磁场倒转，而俯冲板块到达核幔边界所引起的高热流则可能通过增强热流非均匀性促进倒转频率发生变化。因此，LLVPs的长期演化以及板块俯冲过程可能共同调控地球历史上的地磁超静期（superchron）和频繁倒转阶段。

图2 俯冲板块到达并沿着核幔边界扩散过程中温度场（a）、成分场（b），以及俯冲板片在地幔底部温度（c）、体积比（d）、核幔边界最大热流（e）、核幔边界热流非均匀性（f）、LLVPs温度（g）、空间展布（h）、最小核幔边界热流（i）、负热流斑块总功率（j）等参数随时间演化情况

该研究首次从地幔热化学对流角度系统揭示了LLVPs下方负核幔边界热流产生的动力学机制，表明深部地幔结构不仅能够调控地核冷却效率，还可能通过改变外核顶部热状态影响地磁场长期演化。研究深化了对核幔耦合作用的认识，为理解地核顶部稳定分层、地磁场长期演化以及地磁超静期形成机制提供了新的动力学框架，也为探索LLVPs、ULVZs等深部地幔结构与地磁场演化之间的联系提供了新的思路。

主要参考文献

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.（原文链接）

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：李杨、蔡书慧、万博/岩石圈演化学科中心， 王巍/地球与行星物理学科中心）