地球下地幔物质组成和温度结构揭示

科技日报记者 吴长锋

记者10日从中国科学技术大学获悉，该校地球和空间科学学院吴忠庆教授课题组与国内同行合作，在约束地球下地幔的物质组成与温度分布方面取得重大突破。相关研究成果日前发表在国际综合学术期刊《美国国家科学院院刊》上。

地球内部可大致分为地壳、上地幔、下地幔和地核。其中，地球下地幔位于地表以下660至2890公里深度处，其体积和质量分别占地球整体的55%和52%，是地球最重要的圈层之一。地震学研究发现，下地幔并不均一，存在分布广泛、尺度不一的波速异常。尤其是位于非洲和太平洋下方的大型低剪切波速省（LLSVPs），其横向和径向尺度可达上千公里。这些异常体的性质、成因以及对地球演化的影响还不够清楚。因此，获取地球下地幔物质成分和温度的空间分布对了解地球的形成、演化与动力学至关重要。

联合地震学层析成像和地球内部矿物的弹性性质是获得地幔物质成分和温度空间分布的关键手段。由于下地幔极高的温度和压强条件，通过实验测量处于下地幔条件下的矿物弹性性质极具挑战，而常规的矿物弹性第一性原理计算方法极其昂贵。为此，吴忠庆教授课题组提出并发展了计算量不到常规方法十分之一的弹性第一性原理计算方法。 

研究人员利用计算得到的下地幔主要矿物高温高压弹性数据，结合下地幔三维层析成像模型，采用马尔科夫链蒙特卡洛方法反演得到了整个下地幔的三维矿物成分与温度分布，并进一步得到下地幔三维密度模型。

研究结果显示，LLSVPs与周围地幔相比在下地幔底部密度更高，在2700公里深度以上密度更低。此外，LLSVPs相比周围地幔温度更高，更加富集铁和布里奇曼石，这支持了LLSVPs可能源自地球早期形成的基底岩浆洋的假说。

这项研究的发现提供了关于下地幔物质组成和温度结构的关键见解，在很大程度上增进了人们对地球深部结构的认识，并将对有关地球的形成、演化与动力学等方面的研究产生重要影响。

（中国科大供图）