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科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒
記者10日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校地球和空間科學(xué)學(xué)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(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)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(xué)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?。↙LSVPs），其橫向和徑向尺度可達(dá)上千公里。這些異常體的性質(zhì)、成因以及對(duì)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(duì)了解地球的形成、演化與動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。
聯(lián)合地震學(xué)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(qiáng)條件，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)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(jì)算量不到常規(guī)方法十分之一的彈性第一性原理計(jì)算方法。?
研究人員利用計(jì)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(gè)下地幔的三維礦物成分與溫度分布，并進(jìn)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(xiàng)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(jìn)了人們對(duì)地球深部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并將對(duì)有關(guān)地球的形成、演化與動(dòng)力學(xué)等方面的研究產(chǎn)生重要影響。
（中國科大供圖）
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