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中國(guó)科大揭示地球下地幔物質(zhì)組成和溫度結(jié)構(gòu)

安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)

近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授課題組與南京大學(xué)阮友誼副教授及中科院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院倪四道研究員合作,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)研究成果以“Compositional and thermal state of the lower mantle from joint 3D inversion with seismic tomography and mineral elasticity”為題,發(fā)表在國(guó)際綜合學(xué)術(shù)期刊Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS) 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660~2890 km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)算方法及其昂貴。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。近年來,該課題組利用這一方法系統(tǒng)地研究了下地幔主要礦物的彈性性質(zhì),結(jié)果與相對(duì)低溫和低壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很符合。

該研究利用計(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(圖1),并進(jìn)一步得到下地幔三維密度模型。

**圖1.**不同深度下礦物成分、鐵含量以及溫度的空間分布。

反演結(jié)果表明,下地幔的橫向溫度分布滿足高斯分布,其橫向展布在1600公里深度以內(nèi)變化很小,然后隨著深度的增加不斷變寬。在下地幔最底部,其橫向溫度分布不再滿足高斯分布(圖2)。這表明下地幔底部的橫向不均一性很強(qiáng),可能和LLSVPs的存在有關(guān)。

**圖2.**下地幔不同深度處溫度的橫向頻率分布。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),下地幔上部的波速異常主要源于熱異常,而最底部地幔中的波速異常則主要源于化學(xué)成分的變化(圖3)。

**圖3.**不同深度處溫度和成分的變化對(duì)Vs異常的貢獻(xiàn)。

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(圖4),這支持了LLSVPs可能源自地球早期形成的基底巖漿洋的假說。

**圖4.**2680km與2800km深度下橫向成分與溫度分布。

本研究的發(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)了我們對(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。

評(píng)論
汨羅鎮(zhèn)徐志雄
少師級(jí)
已閱
2023-07-13