Transition between the Pacific and African mantle domains beneath southwest Pacific marginal basins

在地球深处，行星的内部并非一个均匀、翻腾的浓汤。相反，它被划分为巨大的、截然不同的省份，这些省份已经独立存在了数亿年。可以将地幔想象成一个巨大的、缓慢移动的岩石海洋。长期以来，科学家们一直知道太平洋下方的岩石在化学性质上与大西洋和印度洋下方的岩石不同。这种差异是地球构造板块在漫长岁月中如何移动和碰撞留下的遗产。随着板块向地幔深处俯冲，它们会将部分地壳碎片带入其中，从而改变下方岩石的化学组成。随着时间的推移，这一过程创造了一个清晰的界限：地球的一侧拥有“太平洋式”的地幔，而另一侧则拥有“非洲式”的地幔。地质学家面临的一个重大问题正是这条无形的界线究竟位于何处，以及随着大陆漂移和海洋开合，它又是如何移动的。

一组研究人员现在通过西南太平洋的岩石追踪到了这一边界，该地区的地壳在数百万年间一直在发生拉伸和破碎。通过分析海底古代熔岩样本的化学指纹，他们发现这两个地幔世界之间的分界线并不是固定不变的。相反，它是动态变化的，受控于板块相互滑动（俯冲作用）的复杂历史。他们的工作表明，这个边界不仅仅是地图上的简单线条，而是一个随时间改变其位置和深度的动态区域，并在那里形成的岩石中留下了清晰的记录。

科学家们将研究重点放在了西南太平洋的一系列盆地，包括塔斯曼海、珊瑚海和圣克鲁斯盆地。这些区域之所以特殊，是因为它们形成于古老的西兰大陆（Zealandia）和澳大利亚大陆开始分离之时。随着陆地拉伸和海洋扩张，来自地球深处的岩浆涌出以填补空隙，创造了新的岩石。研究人员收集了这些岩石样本，特别关注了中洋脊玄武岩（这是海底最常见的熔岩类型）和洋岛玄武岩（其性质类似于夏威夷等火山岛的熔岩）。他们对这些岩石进行了年代测定，以确定它们的形成时间，其中一些样本的年龄可追溯至8400万年前，另一些则仅为2200万年。

为了了解这些岩石的起源，团队测量了其中特定元素（如锶、钕、铅和铪）的比例。这些元素就像是地幔来源的“化学身份证”。研究人员发现了一个清晰的模式：来自较古老的陆缘盆地（形成于8400万至5000万年前）的岩石携带了“非洲式”地幔的化学特征，尽管这些盆地位于太平洋区域。相比之下，形成于5000万年后、位于更东侧海洋盆地的较年轻岩石，则显示出明显的“太平洋式”地幔特征。这种转变表明，这两个地幔域之间的边界曾位于更东侧，即紧邻西兰大陆的边缘，随后才移动到了当前的位置。

研究还通过检查由热点（即从地幔极深处上升的热物质柱）形成的岩石，来观察更深层地幔的情况。研究人员发现，北部的热点（如塔斯曼蒂德和劳德霍伊链）产生的岩石具有与富集非洲地幔相关的 EM-1 化学特征。然而，位于西兰大陆和南极边缘南部的热点，则产生了与深部太平洋地幔相关的 HIMU 特征。这表明，虽然该区域的上层地幔以非洲式为主，但其下方的深部地幔在本质上仍是太平洋式的。这两个领域是上下堆叠在一起的，创造了一种复杂的层叠效应。

论文的一个关键发现是，这两个地幔世界之间的边界并非由我们今天看到的现代俯冲带所定义。长期以来，科学家们认为当前的俯冲带（即太平洋板块向澳大利亚板块下方俯冲的地方）标志着分界线。然而，来自较古老岩石的化学证据表明，这条线曾经位于更东边的西兰大陆边缘。研究人员认为，俯冲带的运动——特别是大约5000万年前发生的俯冲方向逆转——将边界向西推。这种运动使得太平洋地幔流向了此前由非洲地幔所占据的区域。

该研究还排除了其他几种解释这些岩石化学差异的可能性。研究人员考虑过是否是俯冲沉积物的混合或古代大陆地壳的破碎可以解释这些模式，但数据并不支持这些观点。相反，证据有力地指向了地幔域本身的移动才是主要驱动力。这些化学特征过于独特且分布广泛，不可能是局部污染或小规模混合的结果。这些模式表明，这是一个大规模的、全球性的过程，即深部地幔在数亿年间一直保持着两个截然不同的省份。

通过将化学数据与地球板块运动的历史模型相结合，研究人员得以重建这一边界的历史。他们提出，在超大陆盘古大陆（Pangea）组装期间，太平洋板块的长时期俯冲在太平洋周围形成了一个富集的地幔环。这个环起到了屏障的作用，使太平洋和非洲地幔域保持分离。随着大陆破碎和俯冲带发生位移，这些地幔域的边界也随之移动，但其基本的化学差异依然存在。这项研究提供了一张关于该边界如何演化的详细地图，展示了它是如何作为一个基本特征，在多次超大陆形成与解体的周期中持续存在的。

这项工作的意义不仅在于理解西南太平洋的历史，它还为我们提供了一种从全球尺度看待地球内部运作方式的新视角。这些地幔域能够保持如此长期的独立性，说明地球内部比此前认为的更加稳定且有序。边界的移动并非随机，而是由大规模的板块构造力量驱动的。这有助于科学家更好地理解行星的长期演化过程，以及深层内部如何影响地表。研究还强调了同时观察地幔浅层和深层部分对于获得完整图景的重要性，因为这两个层面可能会表现出不同的行为，并讲述不同的故事。

最终，这项研究描绘了一个动态的地球景象：其内部省份之间的边界并非固定不变，而是不断被上方板块的运动所重塑。西南太平洋岩石中的化学指纹就像是一个时间胶囊，保存了这些运动和地幔域迁移的历史。研究结果证实，太平洋与非洲地幔之间的分界是一个真实的、物理性的边界，它随时间而移动，并在形成的岩石中留下了清晰的记录。这项工作有助于填补我们对地球深部理解中的空白，并为我们提供了一个更清晰的视角，去观察行星在过去数亿年间是如何变化的。