中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳忠慶課題組王文忠博士與合作者研究發(fā)現(xiàn)，下地幔最大的低速異常體可能起源于地球早期巖漿海演化。相關(guān)成果日前在線發(fā)表于《自然—通訊》，這將對理解地球深部結(jié)構(gòu)、層圈相互作用和內(nèi)部揮發(fā)分的遷移與作用等方面產(chǎn)生重要影響。

下地幔是地球內(nèi)部最重要的圈層之一，深度范圍約為660~2900公里，是地球演化的壓艙石。近年來，地震學(xué)者發(fā)現(xiàn)在下地幔存在許多尺度不一的異常體，包括大尺度高速、低速異常體和小尺度散射體。下地幔最大的低速異常體“低剪切波速省”，位于非洲和太平洋板塊下部，其橫向和徑向尺度可達上千公里。這些不同類型異常體的成因，對于理解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成起著關(guān)鍵作用。

與其他類地行星相比，地球具有一個非常獨特的特點——板塊運動和俯沖。板塊可以俯沖至地球深部甚至核幔邊界，將洋殼帶至地幔深部，從而可能導(dǎo)致下地幔形成化學(xué)物質(zhì)不均一性。該課題組此前研究表明，小尺度散射體和大尺度高速異常體主要來源于俯沖洋殼物質(zhì)，但俯沖至下地幔的洋殼物質(zhì)不可能導(dǎo)致大型低剪切波速省。

下地幔主要礦物為布里奇曼石，是下地幔鐵的主要載體。前人研究發(fā)現(xiàn)，巖漿中的二價鐵會歧化成三價鐵和鐵單質(zhì)。鐵單質(zhì)從早期巖漿分離進入地核，會使早期下地幔富集三價鐵。

研究人員通過高溫高壓實驗和第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，中度富三價鐵的布里奇曼石會分解成極度富三價鐵和貧三價鐵布立基曼石，這種新發(fā)現(xiàn)的富三價鐵布里奇曼石具有低波速、高泊松比和高密度。正常地幔富集5%~15%的富三價鐵布里奇曼石，可以很好解釋有關(guān)大型低剪切波速省的地震學(xué)觀測結(jié)果，且地球動力學(xué)模擬顯示這種不均一異常體可以在下地幔形成類似于大型低剪切波速省的結(jié)構(gòu)。

他們認為，早期巖漿演化形成的含三價鐵布里奇曼石，分解成極度富三價鐵布里奇曼石，很可能導(dǎo)致大型低剪切波速省的形成。