近期，中國科學技術大學地球和空間科學學院吳忠慶教授課題組王文忠博士（2019年畢業，現時為University College London博士後）聯合密西根州立大學劉嘉超博士和亞利桑那州立大學李明明教授，發現下地幔最大的低速异常體——位於非洲和太平洋板塊底下的大型低剪切波速省（LLSVPs），可能起源於地球早期岩漿海演化，相關成果以“Formation of large low shear velocity provinces through the decomposition of oxidized mantle”為題線上發表在國際綜合學術期刊《Nature communications》上。
地球內部物質組成是理解地球起源、演化與動力學的關鍵。地球可大致分為地殼、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，深度範圍約為660-2900公里，其體積和質量占比高達55%和52%，是地球演化的壓艙石。近年來，地震學者發現在下地幔存在許多尺度不一的异常體，包括大尺度（幾百至上千公里）的高速和低速异常體和小尺度（幾公里）的散射體。尤為著名的低速异常體是位於非洲和太平洋板塊底下的大型低剪切波速省（LLSVPs），其橫向和徑向尺度可達上千公里。這些异常體的成因對理解地球內部結構與物質組成起著關鍵的作用，是地球科學研究的熱點與前沿問題。
和其它類地行星相比，地球具有一個非常獨特的特點——板塊運動和俯衝。板塊可以俯衝至地球深部甚至核幔邊界，將洋殼帶至地幔深部，從而可能導致下地幔形成化學物質不均一性。課題組早前的研究（Wang et al.，Velocity and density characteristics of subducted oceanic crust and the origin of lower-mantle heterogeneities，Nature communications，11，64，2020）表明，俯衝至下地幔的洋殼物質具有明顯不同於周圍地幔的波速和密度，能够很好地解釋地震學觀測到的下地幔小尺度散射體和大尺度高速异常體，但不可能導致LLSVPs的低剪切波速。
下地幔主要礦物為布裡奇曼石，其體積占比約為80%，是下地幔鐵的主要載體。前人研究發現岩漿中的Fe2+會歧化成Fe3+和鐵單質，鐵單質從早期岩漿分離進入地核會使早期下地幔富集Fe3+。研究人員通過高溫高壓實驗和第一性原理計算發現中度富Fe3+的布裡奇曼石會分解成極度富Fe3+和貧Fe3+布立基曼石（圖一），這種新發現的富Fe3+布裡奇曼石具有低波速、高泊松比和高密度。進一步計算結果表明，正常地幔富集5-15%的富Fe3+布裡奇曼石可以很好解釋有關LLSVPs的地震學觀測結果（圖二），且地球動力學類比顯示這種不均一异常體可以在下地幔形成類似於LLSVPs的結構。
圖一極度富Fe3+布裡奇曼石的形成。左圖為高溫高壓實驗結果，初始成分為90% MgSiO3+ 10% Fe2O3，極度富Fe3+布裡奇曼石（灰色）和貧Fe3+布裡奇曼石（黑色）共存。右圖為第一性原理計算分解反應的生成自由能。
圖二富Fe3+布裡奇曼石的富集程度與波速异常（dlnVP和dlnVS）、密度异常（dlnr）和波速异常比（dlnVP/dlnVS）的關係。淡綠色陰影區為觀測結果。
綜合課題組最近工作表明，在下地幔發現的多尺度不一的异常體可能有不同的來源。小尺度散射體和大尺度高速异常體主要來源於俯衝洋殼物質，而位於非洲和太平洋板塊底下的大型低剪切波速省（LLSVPs）很可能是由於早期岩漿演化形成的含Fe3+布裏奇曼石分解成極度富Fe3+布裡奇曼石導致的（圖三）。這將對地球深部結構、層圈相互作用和內部揮發分的遷移與作用等方面產生重要影響。
圖三下地幔物質异常及其來源
論文共同第一作者為王文忠博士，通訊作者為王文忠博士、劉嘉超博士和吳忠慶教授；合作者包括密西根大學的朱峰博士、李傑教授，亞利桑那州立大學李明明教授，和密西根州立大學的Susannah Dorfman教授，中國科大為該論文第一單比特。該工作由中科院先導專項、科技部973項目、國家自然科學基金專案資助。
論文連結：
Wang，W.，Liu，J.，Zhu，F.et al.Formation of large low shear velocity provinces through the decomposition of oxidized mantle.Nat Commun 12，1911（2021）.https://doi.org/10.1038/s41467-021-22185-1
Wang，W.，Xu，Y.，Sun，D.et al.Velocity and density characteristics of subducted oceanic crust and the origin of lower-mantle heterogeneities.Nat Commun 11，64（2020）.https://doi.org/10.1038/s41467-019-13720-2
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