中科大研究地球内部结构有新思路

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授吴忠庆等合作研究发现，下地幔矿物中铁的自旋转变会导致地幔中部的纵波波速对温度变化不敏感，从而解释了多个地震层析成像观测到的不寻常波速结构的成因，为利用自旋转变效应认识地球内部结构打开了一扇门。《科学》杂志的“特选栏目”也介绍了该工作。

据了解，铁方镁石中的铁从有磁矩的高自旋态转变到没有磁矩的低自旋态会显著降低其波速。但不同于其他矿物相变有一个明显的波速间断面，铁方镁石中的铁是逐渐从高自旋态过渡到低自旋态，是一个平滑的相变。这导致利用地震学手段探测该转变的努力一直没有成功。

吴忠庆研究组通过分析自旋转变下的弹性数据，发现自旋转变可在地震层析成像图中留下多个可观测特征。例如，它会导致纵波波速在～1750公里深度对温度变化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱会在～1750公里深度中断。这样的现象已在夏威夷等地多个热点下的地幔柱纵波成像图中观测到，但一直没有得到很好的解释。

地幔柱是起源于核幔边界的热物质上涌流，穿越整个地幔到达岩石圈底部，是板块运动的主要驱动力之一。地震学成像是目前观测地幔柱的主要手段，但实际观测发现，在～1750公里深度多个地幔柱的波速并没有明显变慢，即上涌热物质在这个深度突然变得不热。这个现象很难理解，也跟地幔柱的整个概念有冲突。

最新研究表明，上涌物质其实还是热的，只不过自旋转变下纵波波速在这个深度对温度变化不敏感，造成温度不高的错觉。该研究为地幔柱模型提供了强有力的支持。同时，由于找到了识别自旋转变的特征，可以预期自旋转变一定会像橄榄石系列相变、后钙钛矿相变一样，有力地促进对地球内部结构的认识。（宗华）