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科技日報記者 吳長鋒
記者10日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校地球和空間科學學院吳忠慶教授課題組與國內(nèi)同行合作，在約束地球下地幔的物質(zhì)組成與溫度分布方面取得重大突破。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國際綜合學術(shù)期刊《美國國家科學院院刊》上。
地球內(nèi)部可大致分為地殼、上地幔、下地幔和地核。其中，地球下地幔位于地表以下660至2890公里深度處，其體積和質(zhì)量分別占地球整體的55%和52%，是地球最重要的圈層之一。地震學研究發(fā)現(xiàn)，下地幔并不均一，存在分布廣泛、尺度不一的波速異常。尤其是位于非洲和太平洋下方的大型低剪切波速省（LLSVPs），其橫向和徑向尺度可達上千公里。這些異常體的性質(zhì)、成因以及對地球演化的影響還不夠清楚。因此，獲取地球下地幔物質(zhì)成分和溫度的空間分布對了解地球的形成、演化與動力學至關(guān)重要。
聯(lián)合地震學層析成像和地球內(nèi)部礦物的彈性性質(zhì)是獲得地幔物質(zhì)成分和溫度空間分布的關(guān)鍵手段。由于下地幔極高的溫度和壓強條件，通過實驗測量處于下地幔條件下的礦物彈性性質(zhì)極具挑戰(zhàn)，而常規(guī)的礦物彈性第一性原理計算方法極其昂貴。為此，吳忠慶教授課題組提出并發(fā)展了計算量不到常規(guī)方法十分之一的彈性第一性原理計算方法。?
研究人員利用計算得到的下地幔主要礦物高溫高壓彈性數(shù)據(jù)，結(jié)合下地幔三維層析成像模型，采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法反演得到了整個下地幔的三維礦物成分與溫度分布，并進一步得到下地幔三維密度模型。
研究結(jié)果顯示，LLSVPs與周圍地幔相比在下地幔底部密度更高，在2700公里深度以上密度更低。此外，LLSVPs相比周圍地幔溫度更高，更加富集鐵和布里奇曼石，這支持了LLSVPs可能源自地球早期形成的基底巖漿洋的假說。
這項研究的發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)于下地幔物質(zhì)組成和溫度結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵見解，在很大程度上增進了人們對地球深部結(jié)構(gòu)的認識，并將對有關(guān)地球的形成、演化與動力學等方面的研究產(chǎn)生重要影響。
（中國科大供圖）
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