人类生活在数十公里厚的地壳之上，其下是二千八百多公里厚的地幔。一百年来，科学家对地幔的性质和现在的运行机制有了越来越多的了解，然而，对其过去的演化却所知甚少。如何通过我们看到的地质记录，了解地幔的深时演化是固体地球科学关注的方向之一。核幔边界之上存在两个对跖（即位于地球直径两端的）的“深部地幔结构”，地震学表现为大型低剪切波速省（大致对应地球化学地幔异常体，以下简称“大低速省”）；这一重要的结构可能主导地幔的“二阶对流”与“成分二分性（两个对跖的地幔异常区域产生的岩浆存在系统的成分差异）”。一般认为，短时间内（一般几个百万年）形成的巨量来源于地幔的岩浆岩单元，即“大火成岩省”，是大低速省边缘地幔上涌引发形成的。现今太平洋内的大火成岩省的分布范围与之下大低速省在岩石圈的投影范围对应。与其对跖的非洲大低速省则被认为引发了盘古大陆（潘吉亚超大陆的同义词）的裂解，该过程持续2亿年，在大低速省边缘形成了一系列大火成岩省（图1a）。超大陆指地球上曾多次出现、几乎将所有陆块连接为一体的巨型大陆，其最终会裂解消亡。其中，盘古大陆形成于2.5亿年前，2亿年前开始裂解，现在可能处于最离散的状态。盘古大陆之前存在过罗迪尼亚（10亿年前）和哥伦比亚（16亿年前）两个超大陆，它们是否也存在与之对应的大低速省？如何重现当时的深部地幔结构？超大陆旋回演化过程中，深部地幔结构是否相对稳定，如果不稳定，又如何演化？以上问题对理解地球动力系统的运行机制至关重要。
中国科学院地质与地球物理研究所/中国科学院大学彭澎及岩石圈演化与环境演变全国重点实验室前寒武纪地质学科团队与北京大学、长江大学和河南理工大学等的合作者，通过中国-南美联合地学研究中心合作机制获得新数据，汇编全球罗迪尼亚超大陆裂解期间全球大火成岩省数据，基于已有罗迪尼亚超大陆重建模型，结合大火成岩省几何重建约束，分析罗迪尼亚超大陆裂解过程和大火成岩省地球化学指标变化规律，依据盘古大陆大火成岩省与深部地幔结构的经验关系，分析9亿年前罗迪尼亚超大陆之下的地幔结构，探讨深部地幔形态和物质演变规律。
研究发现，分散在不同古陆（克拉通）的28个地质单元在罗迪尼亚超大陆裂解前分属7个大火成岩省，它们延续约2亿年，发生在全球板块运动平均速度及活动造山带数量的低值期（图1c）。这些大火成岩省整体显示与大陆溢流玄武岩相似的特征；其源区呈现规律性变化，早期表现原始地幔特征，随时间向富集和亏损两个端元演变而呈现多样性，亏损和富集源区的物质均逐渐增加；这一特征与盘古超大陆裂解的特征一致；成分特点也支持源区亏损随时间增强（图2）。基于已有的罗迪尼亚超大陆重建方案，通过大火成岩省岩浆通道系统（巨型岩墙群）岩浆中心及其几何恢复的约束，重建罗迪尼亚超大陆格局下大火成岩省的分布，揭示出三个主要裂解阶段：~9亿年前，圣弗朗西斯科（巴西）-刚果、西非等古陆裂解；~8亿年前，印度、澳大利亚、东南极、华北、塔里木等古陆裂解；~7.2亿年西伯利亚、华南、劳伦等古陆裂解（图1b）。裂解完成后，进入离散持续及聚合期。基于盘古大陆大火成岩省与深部地幔结构（大低速省）的经验关系（图1a），提出罗迪尼亚超大陆深部地幔结构假想模型（图1b）。重建的罗迪尼亚超大陆大低速省和盘古大陆之下非洲大低速省显示了诸多相似特征，如，均与相应超大陆形状一致且均离周缘俯冲带有一定距离；中心均位于赤道附近；规模均与超大陆大致相当；初始裂解均发生在核心大陆（巨大陆）并随后沿着周缘依次进行；均体现相似的源区演变规律等。研究发现，裂解期和聚合期大火成岩省岩浆源区变化与亏损组分的增加或者减少有关：超大陆形成后的存续期到之后的裂解破裂期，亏损组分持续增加；离散持续期-超大陆聚合阶段，亏损组分持续减少（图2）。这一亏损组分很可能是再循环大洋岩石圈为代表的物质（图2），其在超大陆聚合期（板块运动速度较快）为形成和俯冲峰期，约2亿年后是其抵达核幔边界的峰期；这也就解释了大火成岩省中的亏损组分在裂解期增多，并在最终破裂阶段达到峰值的特征。以上研究表明，大低速省成分可能随时间发生了变化，其空间结构是否也相应发生变化呢？针对大火成岩省发生位置及顺序的分析表明，罗迪尼亚超大陆早期裂解出去的部分陆块，重组成为下一个超大陆的核心，南方古陆（或称冈瓦纳巨大陆）。这就说明，下一个超大陆不是通过当前超大陆裂解形成的内洋闭合的方式重组，也就不支持深部地幔结构固定不变的看法。图1形态迥异的两个深部地幔结构已经暗示其形态是变化的。前人基于模型和地球化学提出深部地幔结构是分层的。本研究认为，成分补给和结构变化主要发生在其上层。据此提出深部地幔结构随着超大陆旋回周期性重构模型（Regeneration model）：超大陆裂解期，结构定位后形态相对稳定，但成分变化较大；超大陆聚合期，其成分相对稳定，但形态迁移或重新定位；相关过程主要受再循环大洋岩石圈控制（图3）。这一成因模型能够解释地幔成分二分性，为揭示地球深部地幔的形成和演变以及超大陆聚合-裂解动力机制提供工作模型。
图1 大火成岩省与大低速省和超大陆（a盘古，b罗迪尼亚）的时空关系及其数量与板块运动速率和造山带数量随时代的变化（c）。图中LLSVP为大低速省，LIP为大火成岩省，Pangea和Rodinia分别为潘吉亚/盘古和罗迪尼亚超大陆
图2 罗迪尼亚与盘古超大陆大火成岩省化学指标变化对比。图中εNdt为经过球粒陨石比值归一化后的某个时间t对应的143Nd/144Nd值的一万倍
图3 深部地幔结构大低速省协同超大陆旋回周期性重构模型（Regeneration model）。图中LLSVP为大低速省，LIP为大火成岩省，Supercontinent为超大陆
该研究为亿万年前地球内部运行机制提供了一项基于观测的约束；研究表明，深达两千八百多公里的地幔与我们所站立的大陆之间是耦合演化的，地球是一个内外联动的系统，保留至今的古老（深时）岩石记录可以为揭示大陆形成以来地球深部过程提供地质约束；地球宜居环境的形成与洋陆格局的沧桑变化是内外联动的表现，认识人类生存的宜居地球的形成与可持续发展离不开对“深时”地球系统内外联动机制以及大陆形成与演化深部控制“深地”过程的研究。
研究成果发表于国际学术期刊NC，研究得到科技部及国家自然科学基金委、中国科学院等批准的项目的资助。工作的推进还得益于中国科学院地质与地球物理研究所中国-南美联合地学研究中心、中国科学院国际人才计划（PIFI）超大陆旋回地球大数据特需岗（米罗斯）和国际地质科学联合会（IUGS）Deep-time Digital Earth（DDE）及IGCP648等的支持。
