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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授組在地幔過渡帶組分和溫度的認(rèn)識方面取得重要進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)地幔巖（Pyrolite）在地幔過渡帶底部的波速不僅依賴于平均溫度，而且還受控于溫度的分布，可用于反推溫度橫向不均一程度。在考慮溫度的橫向不均勻性后，地幔巖可以在地幔過渡帶底部產(chǎn)生地震學(xué)觀測的波速和密度。相關(guān)研究成果以“Elastic properties of Fe-bearing Akimotoite at mantle conditions: Implications for composition and temperature inthelower mantle transition zone”為題發(fā)表在國家自然科學(xué)基金委綜合學(xué)術(shù)期刊《Fundamental Research》上。

地幔過渡帶指地球內(nèi)部約410-660千米深的區(qū)域，是聯(lián)系上下地幔的重要紐帶。了解地幔過渡帶的成分與溫度，對認(rèn)識地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)交換及形成演化有重要意義。地幔巖模型是大家廣泛接受的上地幔礦物學(xué)模型。該模型的波速和密度與上地幔符合。但在地幔過渡帶底部，該模型的波速和密度均顯著低于地震學(xué)結(jié)果。這個(gè)現(xiàn)象自從本世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)后，一直沒有很好的解釋。以往的研究只考慮了地幔巖模型沿著地溫線的波速和密度，溫度的橫向不均勻性在計(jì)算中被忽略。由于礦物的波速和密度都近似線性的依賴于溫度，一般來說，這種忽略不會影響波速和密度的估計(jì)。然而，當(dāng)溫度橫向不均勻性對礦物相產(chǎn)生影響時(shí)，傳統(tǒng)的沿著地溫線估計(jì)地幔巖模型波速和密度的方法就不適用了。

地幔巖模型失效的地幔過渡帶底部，正是礦物相對溫度分布敏感的區(qū)域。地幔巖模型在地幔過渡帶由~60%的林伍德石和~40%的石榴子石組成。石榴子石-布里奇曼石-秋本石的MgSiO3相圖三相點(diǎn)在地幔過渡帶底部很接近地溫線（圖1）。橫向低溫異常可以導(dǎo)致地幔過渡帶中出現(xiàn)一定量的秋本石。秋本石相比石榴子石具有更高的波速和密度，地幔巖的波速和密度依賴于秋本石的含量，也即受控于橫向溫度分布。這意味著不需要引入額外的成分，地幔巖模型也許就可以解釋地幔過渡帶底部的波速和密度，而且我們還能量化地幔溫度橫向不均一性。

該課題組利用第一性原理計(jì)算模擬了高溫高壓條件下含鐵秋本石的彈性性質(zhì)，結(jié)合其他礦物的彈性性質(zhì)，他們計(jì)算了溫度分布下的地幔巖波速和密度。研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)蒯＿^渡帶底部溫度的高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差為~100 K，地溫線略高于MgSiO3相圖的三相點(diǎn)時(shí)，地幔巖模型可以很好解釋地震學(xué)模型的波速與密度（圖2）。因此，MgSiO3相圖的三相點(diǎn)為地溫線提供了一個(gè)錨點(diǎn)。課題組的工作修改了廣為人知的地幔巖模型（圖3）。存在~10-15 Vol%的秋本石也為地幔過渡帶底部的各向異性提供了一個(gè)合理的解釋。地幔過渡帶與上地幔具有相同的組分更支持全地幔對流。

圖1. 通過MgSiO3相圖和溫度的高斯分布計(jì)算秋本石的體積分?jǐn)?shù)。黃色陰影區(qū)域?yàn)榍锉臼嬖趨^(qū)域。

圖2. 地幔巖模型和地震學(xué)模型的波速與密度。黑線和灰線分別表示地震學(xué)模型PREM和AK135。紅色虛線表示沿著正常地溫線的Pyrolite模型，彩色實(shí)線表示考慮溫度不均勻性后，的Pyrolite模型，三條線分別對應(yīng)三個(gè)不同的MgSiO3相圖結(jié)果。

圖3. 考慮地幔過渡帶溫度不均勻性后的Pyrolite模型

這項(xiàng)工作受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。吳忠慶教授為該論文的通訊作者，博士研究生趙亞婕為第一作者。

論文鏈接：

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站、中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心、科研部）