科學家破解上下地幔邊界塌陷之謎

俯沖板片擾動導致的地震不連續性是一個長期未解的地學之謎。近日，由北京高壓科學研究中心研究員Takayuki Ishii與德國拜羅伊特大學Artem Chanyshev博士領銜的研究團隊提出，俯沖板塊區域上—下地幔邊界的顯著塌陷并非由后尖晶石相變引起，而是由秋本石到布里奇曼石的相變導致。相關研究成果發表于1月5日出版的《自然》。

上、下地幔邊界位于地下660公里處，被稱為D660地震不連續面。但是在冷的俯沖板塊，此不連續面顯示位于660公里以下的深度，比如在湯加俯沖板塊，D660不連續面出現深度可達740公里。660公里的不連續性普遍被認為是由林伍德石分解(后尖晶石相變)反應所致。因此，俯沖帶底部不連續面的嚴重塌陷（740公里深度）被認為是由于相對較低的俯沖帶溫度導致林伍德石的分解反應深度增加所致。然而，根據高壓實驗模擬顯示：后尖晶石相變具有平緩的相邊界，溫度依賴性較小，似乎不能解釋顯著的上、下地幔邊界凹陷。此外，地震觀測顯示，在俯沖板片670公里深度也有觀測到不連續性界面，此不連續面也與后尖晶石相變深度不一致。

在這項研究中，科學家在1250-2085 K的溫度范圍內，利用自主研發的多面頂壓機技術，結合原位X射線衍射技術，準確確定了MgO-SiO2體系中林伍德石的分解和秋本石?布里奇曼石（MgO，SO2均為其主要成分）相變邊界。

“之前對于上下地幔邊界塌陷的爭議的主要原因是對相變邊界確定的不準確性造成的，我們通過改進傳統多面壓機技術，將壓力測量的誤差降低到傳統技術的2-4倍，并且開發了一種多相共存時確定穩定相的新方法：觀察低壓相和高壓相共存時相對X射線衍射峰強度的增加或減少。該方法可以幫助克服相變動力學引起的實驗誤差，從而準確確定相變邊界。”Ishii解釋說。

研究結果表明，在660公里的深度范圍內，林伍德石到布里奇曼石+方鎂石的分解反應邊界非常平緩，尤其在低溫區，斜率幾乎為零，這與之前的報道一致。因此，后尖晶石相變的深度與地幔平均溫度下的660公里的不連續面深度一致。

另一方面，秋本石到布里奇曼石的相變邊界具有陡峭的斜率，尤其是低溫區的明顯的相變壓力改變是之前實驗未探測到的。低溫下，秋本石—布里奇曼石的相變成負斜率陡坡意味著此區域對應明顯的溫度—壓力相變關系。也就是說，溫度越低，相變壓力越高（深度越深）。因此，在俯沖物質擾動的低溫區，林伍德石首先分解為秋本石和方鎂石，秋本石再在高壓（更深處）下轉變為布里奇曼石。地震波所觀測到的俯沖板塊670公里的不連續面正好對應林伍德石的分解（林伍德石—秋本石+方鎂石）。以上兩個相變導致了670和740公里深度的雙重地震不連續面。

該研究澄清了長達多年的關于俯沖板片，上—下地幔邊界塌陷的爭議。另外，他們提出不同的俯沖板塊對應不同的溫度以及不同的相變規律，從而對地幔物質的交換和對流將產生不同的影響。