中國科大合作研究揭示地球內部成分和溫度變化的新特征

　　近日，中國科學技術大學教授吳忠慶合作研究揭示了自旋轉變下地球內部成分和溫度變化會產生相反的波速變化特征，該研究成果發表在11月3日的《地球與行星科學快報》（Earth and Planetary Science Letters）上。

　　目前，大量的地震層析成像研究已經比較好地揭示了地球內部三維的波速結構，將這些波速結構轉化為成分和溫度的變化是認識地球內部結構及其動力學特性的關鍵，但由于缺乏有效的手段來識別成分和溫度對波速的影響，人們對這方面的認識還非常有限。

　　吳忠慶對下地幔主要礦物之一鐵方鎂石的自旋轉變進行了多年的研究，獲得了地幔溫壓條件下鐵方鎂石的彈性特性[Phys. Rev. Lett. 110, 2013]，發現自旋轉變會顯著降低鐵方鎂石的彈性模量，導致下地幔的體模量在～1700公里深處隨溫度增大而反常升高，跟剪切模量的溫度效應相互抵消后引起縱波波速對溫度不敏感，從而在層析成像中產生可觀測的效應［PNAS 111, 2014；J Geophys Res 121, 2015]。在此基礎上，吳忠慶進一步指出，跟縱波波速對溫度變化不敏感剛好相反，縱波波速對鐵方鎂石及其鐵的含量非常敏感，完全改變人們對成分變化所引起的波速變化特征的認識。而且地震學觀測到的下地幔中部體模量和剪切模量變化負相關的現象無法用成分變化解釋，而是反映了自旋轉變效應，跟人們通常的認識剛好相反。綜合地震學的其他結果，該研究給出有力的證據支持下地幔有明顯的溫度和成分的橫向變化。

　　該研究結果表明，結合層析成像縱波和橫波聯合反演的結果，有望定量分析下地幔中部的成分和溫度變化。

　　上述研究獲得了國家自然科學基金委、科技部“973”項目的支持。

　　溫度和成分變化引起的縱波波速變化示意圖。（a)溫度變化和（b)成分變化引起的波速結構是完全不一樣的。由于縱波在～1700公里處對溫度變化不敏感但對成分變化非常敏感，溫度變化的波速結構出現中斷，成分變化的波速反而增強。