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中國科大等在地球深內部物質和結構異常成因研究中取得進展

2020-01-14 中國科學技術大學
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  近期,中國科學技術大學地球和空间科学学院教授吴忠庆课题组与教授孙道远以及中國科學院精密测量科学与技术创新研究院研究员倪四道合作,发现俯冲至下地幔的洋壳物质具有明显不同于周围地幔的波速和密度,且波速和密度异常依赖于深度,能够很好地解释地震学观测到的下地幔小尺度散射体和大尺度高速异常体,表明俯冲洋壳是地球深部物质不均一性的重要来源。该研究以Velocity and density characteristics of subducted oceanic crust and the origin of lower-mantle heterogeneities 爲題在線發表在國際綜合學術期刊《自然-通訊》(Nature communications上。

  了解地球的物質組成對理解地球起源、演化與動力學過程至關重要。地球內部圈層可大致分爲地殼、上地幔、下地幔和地核。下地幔是地球內部最重要的圈層之一,深度範圍約爲660-2900公裏,其體積和質量占比高達55%52%,是地球演化的壓艙石。雖然很難獲得來自下地幔的樣品,但是地震波具有穿透整個地球的能力,從而提供了地球深內部結構探測的關鍵手段。近年來,隨著地震波觀測、分析與模擬技術的發展,地震學者發現在下地幔存在許多尺度不一的異常體,包括大尺度(幾百至上千公裏)的高速和低速異常體和小尺度(幾公裏)的散射體。尤爲著名的低速異常體是位于非洲和太平洋板塊底下的大型低剪切波速省(LLSVPs),其横向和径向尺度可达上千公里。这些异常体的成因对理解地球内部结构与物质组成起着关键的作用,对制约地球起源和动力学演化亦为重要,是地球科學研究的热点与前沿问题。

  和其它類地行星相比,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,從而在下地幔形成化學物質不均一性。俯沖洋殼是俯沖大洋岩石圈最上面一層的矽酸鹽物質,相比于正常地幔,其更富含SiO2,很可能是下地幔不均一性的主要來源。目前,關于下地幔的異常主要由地震波速表征,因此,開展俯沖洋殼在下地幔溫度和壓強條件下的波速特征研究具有關鍵的意義。

  下地幔的壓強和溫度可達130GPa3000K。在下地幔高溫高壓條件下,俯沖洋殼主要是由布立基曼石、SiO2相、含鋁相和鈣鈣钛礦組成。通過高壓實驗准確測量礦物在下地幔溫壓條件下的波速十分困難,因此數據十分有限。而基于第一原理的礦物物理學計算在研究不同元素、多種礦物組合的波速方面,具有靈活、高效的優勢。吳忠慶課題組在早些年發展了一種基于第一性原理的高溫高壓彈性和波速計算方法,計算效率有數量級的提升。經過數年的研究積累,該課題組確定了俯沖洋殼在下地幔溫壓條件的波速和密度特征(圖1)。研究結果表明,洋殼的波速隨深度變化而變化:在斯石英相變成CaCl2-型石英的深度區間,洋殼表現爲低波速,橫波波速異常高達-10%;在更深處,洋殼則表現爲高波速,橫波波速異常約1.5-2.5%。這意味著LLSVPs的低剪切波速不太可能是洋殼導致,而地震學層析成像發現的下地幔高速體很可能反映了洋殼的堆積。因此,俯沖洋殼在下地幔並非簡單地表現爲高速或者低速,而是取決于深度。俯沖洋殼可以很好地解釋下地幔下部的高速異常體和在整個下地幔發現的散射體(圖2),這項成果爲進一步研究下地幔物質異常和動力學過程提供了關鍵認識。

  論文共同第一作者为王文忠和徐印涵,近期博士毕业于吴忠庆研究组;王文忠和吴忠庆为論文共同通讯作者;中国科大为该論文第一单位。该工作由中科院先導專項、科技部“973”項目、國家自然科學基金項目資助。

  文章

图1 (a)(b)(c)俯沖洋殼的波速和密度;(d)(e)(f)俯沖洋殼相對于正常地幔(PREM)的波速和密度異常

图2 俯冲洋壳与下地幔波速异常体的关系示意图

打印 責任編輯:葉瑞優

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