中美学者“破译”下地幔底部大型构造的起源

下地幔是地球上最重要的层之一，深度从660公里到2900公里不等，被称为地球演化的“压舱石”。最近，中国科技大学的研究小组与美国学者合作发现，下地幔最大的低速异常可能起源于地球早期岩浆海演化，这将对理解地球深部结构和层间相互作用产生重要影响。国际学术期刊《自然通讯》最近发表了这一成果。

近年来，一些学者发现下地幔中存在许多不同尺度的异常体，包括大尺度高速和低速异常体以及小尺度散射体。下地幔最大的低速异常是——大尺度低剪切波速省，位于非洲和太平洋板块下部，其水平和径向尺度可达数千公里。与其他类地行星相比，地球有一个非常独特的特征：板块运动和俯冲。板块可以俯冲到地球深部甚至核幔边界，将洋壳带到地幔深部，可能导致下地幔化学非均质性的形成。

下地幔的主要矿物是布里奇曼石，它是下地幔中铁的主要载体。以往的研究发现，岩浆中的亚铁会歧化成三价铁和单质铁。从早期岩浆中分离出来的铁进入地核，会富集早期下地幔中的三价铁。

近日，中国科技大学吴仲卿教授的课题组王文忠博士与密歇根州立大学刘家超博士和亚利桑那州立大学李明明教授合作。通过高温高压实验和第一性原理计算，他们发现富含中三价铁的布里奇曼石可以分解成富含极三价铁和贫三价铁的布里奇曼石。这种新发现的高铁布里奇曼石波速低、泊松比高、密度高。正常地幔富含5%-15%的富铁布里奇曼石，可以解释大的低剪切波速区的地震学观测结果，地球动力学模拟表明，这种异常体可以在下地幔形成类似大的低剪切波速区的结构。

他们认为，早期岩浆演化形成的含有三价铁的布里奇曼石分解成富含三价铁的布里奇曼石，很可能导致形成一个剪切波速较低的大省。