The Superpile Cycle: the reorganisation of basal mantle structures coupled to the supercontinent cycle
通过 24 个三维地幔环流模型，本研究提出了一个“超堆积循环”假说，证明了超大陆的汇聚与解体驱动了底层地幔结构（LLSVPs）的周期性重组，即在稳定对跖堆积与解体期间瞬态且广泛的地幔柱活动之间交替进行。
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在我们的脚下深处，地球并非一个静态的岩石球体，而是一个翻腾着的、慢动作运行的引擎。在地球地幔的最底部，即炽热的岩石与固体核心交汇的地方，地震学家发现了两团规模巨大、相当于大陆大小的物质块，它们移动热量的方式与周围的岩石不同。这些被称为大型低剪切波速度省（LLSVPs），分别位于非洲和太平洋下方。虽然我们已知它们的存在，但它们的起源和行为一直是一个谜。它们是来自行星形成时期留下的古代残余堆积物，还是由地球表面运动不断重塑的动态结构？理解这些深层结构至关重要，因为它们很可能控制着地球内部热量的逃逸路径，进而驱动板块运动和火山的形成。如果这些深层的“肿块”是稳定的，它们就会成为这台行星内部引擎的永久锚点；如果它们是移动的，则表明地表与深层内部之间存在着一种更为混乱且相互关联的关系。
卡迪夫大学的一个研究小组现在提出了一种理解这些深层结构的新方法，认为它们并非静止不变，而是属于一个与超大陆组装和破碎相关的宏大循环周期。为了测试这一想法，科学家们并没有挖掘地面或等待火山喷发，而是利用强大的超级计算机构建了二十四个不同的地球内部数字模型，以模拟地幔在数亿年间的运动过程。每个模型都从略微不同的条件开始，例如改变核幔边界处的温度或改变地表板块的移动速度，以确保他们的发现是稳健的，而非某一特定设置下的偶然结果。通过观察这些虚拟的热岩石块随时间变化的表现，研究人员发现了一个他们称之为“超堆积循环”（Superpile Cycle）的模式。
模型讲述的故事始于超大陆的形成，即所有陆地都连接在一起的时期。在这一组装阶段，那些沉入地幔的寒冷、沉重的海洋板块（被称为俯冲作用）倾向于在巨型陆地的边缘形成一个环。这个下沉板块构成的环就像一把巨大的扫帚，沿着地幔底部扫过，直到物质在地球两侧的两个不同位置堆积起来。这些被研究人员称为“超堆积物”（superpiles）的堆积物变得稳定，并在超大陆保持完整期间保持原位。在这些模拟实验中，这些堆积物的形态与现实世界中非洲和太平洋下方的 LLSVPs 非常相似，这表明这些深层结构的位置是由大陆在表面的位置所决定的。
然而，这个循环不会永远静止不动。当超大陆最终分裂时，下沉板块的模式也会发生变化。新的俯冲带会在不同地方形成，原本稳定存在的下沉板块环也会被破坏。这就是深层地球发生“重组事件”的时刻。在计算机模型中，这种破坏导致曾经稳定的堆积物失去形状并发生迁移。原本整齐聚集在两个堆积物中的物质被扫向核幔边界，变得更加混乱且分散。研究人员发现这种重组需要时间：在表面板块开始移动后，大约需要 1 亿 6000 万年，下沉的板块才能到达底部并开始移动这些堆积物，随后还需要 4000 万年，堆积物才能完全改变其大规模形态。
这种深层的重组对地表有着直接影响。模型显示，当堆积物稳定时，从深层地幔上升以产生火山的热岩石柱倾向于紧密地聚集在堆积物的边缘。但在重组阶段，即堆积物被扫过和重塑的过程中，这些上升的柱状流会变得更加密集且散布在全球各地。模拟表明，这种分散的分布实际上可能会使大规模火成岩省（即大型火山事件）更难形成。与其说是进行一次巨大的、集中的喷发，不如说热量是以许多较小、分散的位置释放出来的。这意味着，地球上最剧烈的火山活动可能与深层地幔处于变动状态的时期有关，而非处于平静时期。
研究人员强调，他们的结论是基于这些模拟实验得出的，这些模拟是我们观察深层地球的最佳工具，但它们并非完美的现实地图。在现实世界中，这些事件发生的精确时间可能会有所不同，因为我们尚不知道深层地幔确切的黏度（或厚度）。然而，无论使用何种特定条件，二十四个模型中的事件序列都是一致的。这项研究表明存在一种紧密的耦合关系：大陆组装，深层堆积物形成并稳定；大陆分裂，深层堆积物被破坏并重新洗牌；而当大陆开始再次汇聚时，堆积物又会回到其稳定的位置。这一循环将地表板块的运动与地球最深处行为直接联系起来，表明地球表面与核心正在进行一场缓慢的、长达数十亿年的对话。
最终，这项工作为地球的历史提供了一个全新的视角。它表明，地幔底部的巨大“肿块”并非古老且永恒不变的遗迹，而是随着超大陆循环而演化的动态特征。这些深层结构的稳定性以及它们所驱动的火山活动，受制于驱动大陆碰撞与分离的相同力量。虽然该论文并未声称已经解决了关于深层地球的所有谜团，但它提供了一个理解行星表面与内部如何相互连接的有力框架，将深层地幔从一个静态的背景转变为地球长期演化中的积极参与者。
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