【中国科学报】中国科大等发现下地幔底部大型结构体形成机理

  中国科学技术大学教授吴忠庆课题组的王文忠与合作者研究发现,下地幔最大的低速异常体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、层圈相互作用和内部挥发分的迁移与作用等产生重要影响。相关成果日前在线发表于《自然—通讯》。

  下地幔是地球内部最重要的圈层之一,深度范围约为660~2900公里。近年来,学者发现在下地幔存在许多尺度不一的异常体,包括大尺度高速、低速异常体和小尺度散射体。其中最大的低速异常体——低剪切波速省位于非洲和太平洋板块下部。

  与其他类地行星相比,地球具有非常独特的特点——板块运动和俯冲。该课题组此前研究表明,小尺度散射体和大尺度高速异常体主要来源于俯冲洋壳物质,但俯冲至下地幔的洋壳物质不可能导致大型低剪切波速省。下地幔主要矿物为布里奇曼石,是下地幔铁的主要载体。前人研究发现,岩浆中的二价铁会歧化成三价铁和铁单质。铁单质从早期岩浆分离进入地核,会使早期下地幔富集三价铁。

  研究人员通过高温高压实验和第一性原理计算发现,中度富三价铁的布里奇曼石会分解成极度富三价铁和贫三价铁布里奇曼石。这种新发现的富三价铁布里奇曼石具有低波速、高泊松比和高密度的特点。正常地幔富集5%~15%的富三价铁布里奇曼石,可以很好地解释有关大型低剪切波速省的地震学观测结果,且地球动力学模拟显示,这种不均一异常体可以在下地幔形成类似于大型低剪切波速省的结构。

  研究人员认为,早期岩浆演化形成的含三价铁布里奇曼石,分解成极度富三价铁布里奇曼石,很可能导致大型低剪切波速省的形成。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22185-1 

(原载于《中国科学报》 2021-04-07 第4版)

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