下地幔是地球内部最重要的圈层之一,深度范围约为660公里到2900公里

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下地幔是地球内部最重要的圈层之一,深度范围约为660公里到2900公里,被称为地球演化的“压舱石”。近期,中国科学技术大学研究团队与美国学者合作研究发现,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、层圈相互作用等方面产生重要影响。国际学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。


近年来,有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。下地幔最大的低速异常体——大型低剪切波速省,位于非洲和太平洋板块下部,其横向和径向尺度可达上千公里。与其他类地行星相比,地球具有一个非常独特的特点——板块运动和俯冲。板块可以俯冲至地球深部甚至核幔边界,将洋壳带至地幔深部,从而可能导致下地幔形成化学物质不均一性。


下地幔主要矿物为布里奇曼石,是下地幔铁的主要载体。前期研究发现,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。


近期,中科大吴忠庆教授课题组王文忠博士与美国密歇根州立大学刘嘉超博士、亚利桑那州立大学李明明教授合作,他们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。正常地幔富集5%到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。


他们认为,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,很可能导致了大型低剪切波速省的形成。


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