中国科大合作研究揭示地球内部成分和温度变化的新特征

　　近日，中国科学技术大学教授吴忠庆合作研究揭示了自旋转变下地球内部成分和温度变化会产生相反的波速变化特征，该研究成果发表在11月3日的《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）上。

　　目前，大量的地震层析成像研究已经比较好地揭示了地球内部三维的波速结构，将这些波速结构转化为成分和温度的变化是认识地球内部结构及其动力学特性的关键，但由于缺乏有效的手段来识别成分和温度对波速的影响，人们对这方面的认识还非常有限。

　　吴忠庆对下地幔主要矿物之一铁方镁石的自旋转变进行了多年的研究，获得了地幔温压条件下铁方镁石的弹性特性[Phys. Rev. Lett. 110, 2013]，发现自旋转变会显著降低铁方镁石的弹性模量，导致下地幔的体模量在～1700公里深处随温度增大而反常升高，跟剪切模量的温度效应相互抵消后引起纵波波速对温度不敏感，从而在层析成像中产生可观测的效应［PNAS 111, 2014；J Geophys Res 121, 2015]。在此基础上，吴忠庆进一步指出，跟纵波波速对温度变化不敏感刚好相反，纵波波速对铁方镁石及其铁的含量非常敏感，完全改变人们对成分变化所引起的波速变化特征的认识。而且地震学观测到的下地幔中部体模量和剪切模量变化负相关的现象无法用成分变化解释，而是反映了自旋转变效应，跟人们通常的认识刚好相反。综合地震学的其他结果，该研究给出有力的证据支持下地幔有明显的温度和成分的横向变化。

　　该研究结果表明，结合层析成像纵波和横波联合反演的结果，有望定量分析下地幔中部的成分和温度变化。

　　上述研究获得了国家自然科学基金委、科技部“973”项目的支持。

　　温度和成分变化引起的纵波波速变化示意图。（a)温度变化和（b)成分变化引起的波速结构是完全不一样的。由于纵波在～1700公里处对温度变化不敏感但对成分变化非常敏感，温度变化的波速结构出现中断，成分变化的波速反而增强。