近日，精密測(cè)量院孫和平院士團(tuán)隊(duì)、倪四道院士團(tuán)隊(duì)與北京高壓科學(xué)研究中心合作，基于第一性原理計(jì)算，證實(shí)了少量含水礦物的脫水可以導(dǎo)致地震學(xué)觀測(cè)的核幔邊界層（以下簡(jiǎn)稱D′′層）內(nèi)局部區(qū)域波速持續(xù)增加的特性。研究成果于1月6日發(fā)表在國(guó)際知名期刊The Innovation上，并被作為封面推薦文章。

D′′層作為地幔的最底部區(qū)域，其范圍主要界定在核幔邊界上方兩三百公里之內(nèi)。該區(qū)域顯著的特征包括布里奇曼石向后鈣鈦礦的相變，以及鐵或鋁元素的富集。由于溫度從D′′層頂部的大約2500K急劇上升到近地核的約4000K，這一區(qū)域內(nèi)的成分組成與分布存在著很大的不均一性。通常情況下，布里奇曼石相變會(huì)導(dǎo)致地震波速度突然增加2-3%，然后由于溫度升高或鐵、鋁的富集會(huì)引起彈性軟化，導(dǎo)致地震波速在接近核幔邊界時(shí)會(huì)緩慢下降。這一趨勢(shì)在歐亞大陸、北極以及太平洋中部等地的地震觀測(cè)中都得到了驗(yàn)證。然而，值得注意的是，在中美洲下方的D′′層內(nèi)，局部的剪切波速（VS）在布里奇曼石相變后卻隨著深度的增加而逐漸增加。已有研究表明鐵或鋁在后鈣鈦礦、鐵方鎂石和毛鈣硅石中的富集會(huì)降低D′′層內(nèi)礦物相的VS，因此排除了這些因素作為該區(qū)域VS異常增加的直接原因。鑒于此，亟需探索新的機(jī)制來(lái)解釋這種現(xiàn)象。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)擁有極高熱穩(wěn)定性的含鋁phase H，在40-135萬(wàn)大氣壓和2300K溫壓范圍內(nèi)開(kāi)展了不同鋁含量和不同鋁構(gòu)型的phase H相的彈性波速計(jì)算。研究結(jié)果表明，富鋁phase H的波速明顯比下地幔底部的主要礦物布里奇曼石和后鈣鈦礦都低。如果D′′層局部含有3.5 wt.%的水，則有可能會(huì)產(chǎn)生地震學(xué)上觀測(cè)到的波速持續(xù)上升的結(jié)果，且符合大地測(cè)量學(xué)和地球化學(xué)的約束。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，考慮到D′′層極高的地溫梯度及由此導(dǎo)致的富鋁phase H的脫水是解釋D′′層局部區(qū)域波速持續(xù)升高的重要候選機(jī)制。

含水礦物脫水導(dǎo)致核幔邊界D''層內(nèi)地震波速異常升高的示意圖

該研究結(jié)果以“Identifying dehydration-induced shear velocity anomaly in the Earth’s core-mantle boundary”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊The Innovation上。精密測(cè)量院博士研究生韓松松為文章第一作者，精密測(cè)量院研究員侯明強(qiáng)和北京高壓科學(xué)研究中心研究員胡清揚(yáng)為論文的通訊作者。

該研究得到自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目、原創(chuàng)項(xiàng)目和杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100740