中國科大在探究地球核幔邊界超低速區(qū)成因方面取得重要進(jìn)展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院王文忠特任教授與多位學(xué)者合作，通過第一性原理計算與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)位于地球核幔邊界高速區(qū)域的超低速區(qū)是由超離子態(tài)鐵氫化物形成，相關(guān)成果以“Superionic iron hydride shapes ultralow-velocity zones at Earth’s core–mantle boundary”為題通過直投方式發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

地球核幔邊界(CMB)是地球內(nèi)部成分差異最大的邊界層，是地核與地幔物質(zhì)和能量交換的重要場所。近二十年的地震學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在CMB上方存在不同尺度的低速異常體，如位于非洲和太平洋板塊下方的大型低剪切波速省(LLSVP)，以及位于LLSVP內(nèi)部和周圍的超低速區(qū)(ULVZ)。理解這些低速異常體的特征和成因?qū)斫夂酸＿吔绲膭恿W(xué)演化過程具有重要意義。

ULVZ通常有數(shù)百公里寬，數(shù)十公里厚，相比于周圍地幔其具有明顯的低波速和高密度特征，因此能夠長期穩(wěn)定在CMB。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為ULVZ的成因主要分為兩種：溫度異常和成分異常。對于溫度較高的區(qū)域(如LLSVP內(nèi)部)，部分熔融可能是ULVZ的主要成因。然而，最近的地震學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，ULVZ不僅存在于低速區(qū)域，在一些高速區(qū)域(如俯沖板片附近或內(nèi)部)也探測到了ULVZ，無法通過簡單的部分熔融來解釋，需要成分異常來解釋。

板片俯沖是將地表水輸送到地球深部的重要途徑。在下地幔底部，俯沖板片脫水與液態(tài)外核發(fā)生反應(yīng)生成FeHx，且這種物質(zhì)能夠與下地幔的主要礦物相共存。然而，由于缺乏對FeHx的波速、密度、熔點等物理性質(zhì)的約束，目前尚不清楚這一物質(zhì)能否是形成ULVZ的潛在成因。

研究團(tuán)隊采用“第一性原理計算+機器學(xué)習(xí)“的方法對FeHx在核幔邊界條件下的穩(wěn)定性和熱彈性性質(zhì)開展了研究。結(jié)果表明，在核幔邊界的溫壓條件下，F(xiàn)eHx能夠以超離子態(tài)的形式穩(wěn)定存在(圖1a)：Fe原子在其晶格平衡位置附近振動，類似于固體，而H原子能夠像流體一樣在晶格間擴散。

圖1. (a) FeHx的相圖;(b)CMB條件下fcc-FeH的波速和密度特征

由于擴散導(dǎo)致的剪切軟化效應(yīng)，超離子態(tài)FeHx具有極低的波速，其VP和VS分別比正常地幔低34%和63%，密度比正常地幔高50%（圖1b），與ULVZ的地震學(xué)特征吻合，表明超離子態(tài)FeHx可能是ULVZ的一種重要成因，尤其能形成在高速區(qū)內(nèi)形成的ULVZ。這種ULVZ的形成主要通過兩種機制：一方面，俯沖板片深部脫水與鐵核反應(yīng)形成FeHx；另一方面，俯沖板片作為較冷區(qū)域能夠促進(jìn)液態(tài)外核中的FeHx析出(圖2)。這一研究揭示了水在地球核幔邊界產(chǎn)生速度異常結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了重要作用。

圖2.核幔邊界ULVZs形成過程示意圖