本報訊 近日，中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院教授吳忠慶等合作研究發(fā)現(xiàn)，下地幔礦物中鐵的自旋轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致地幔中部的縱波波速對溫度變化不敏感，從而解釋了多個地震層析成像觀測到的不尋常波速結(jié)構(gòu)的成因，為利用自旋轉(zhuǎn)變效應(yīng)認識地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)打開了一扇門。相關(guān)成果日前發(fā)表于美國《國家科學院院刊》，《科學》雜志的“特選欄目”也介紹了該工作。
據(jù)了解，鐵方鎂石中的鐵從有磁矩的高自旋態(tài)轉(zhuǎn)變到?jīng)]有磁矩的低自旋態(tài)會顯著降低其波速。但不同于其他礦物相變有一個明顯的波速間斷面，鐵方鎂石中的鐵是逐漸從高自旋態(tài)過渡到低自旋態(tài)，是一個平滑的相變。這導(dǎo)致利用地震學手段探測該轉(zhuǎn)變的努力一直沒有成功。
吳忠慶研究組通過分析自旋轉(zhuǎn)變下的彈性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)變可在地震層析成像圖中留下多個可觀測特征。例如，它會導(dǎo)致縱波波速在～1750公里深度對溫度變化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱會在～1750公里深度中斷。這樣的現(xiàn)象已在夏威夷等地多個熱點下的地幔柱縱波成像圖中觀測到，但一直沒有得到很好的解釋。
地幔柱是起源于核幔邊界的熱物質(zhì)上涌流，穿越整個地幔到達巖石圈底部，是板塊運動的主要驅(qū)動力之一。地震學成像是目前觀測地幔柱的主要手段，但實際觀測發(fā)現(xiàn)，在～1750公里深度多個地幔柱的波速并沒有明顯變慢，即上涌熱物質(zhì)在這個深度突然變得不熱。這個現(xiàn)象很難理解，也跟地幔柱的整個概念有沖突。
最新研究表明，上涌物質(zhì)其實還是熱的，只不過自旋轉(zhuǎn)變下縱波波速在這個深度對溫度變化不敏感，造成溫度不高的錯覺。該研究為地幔柱模型提供了強有力的支持。同時，由于找到了識別自旋轉(zhuǎn)變的特征，可以預(yù)期自旋轉(zhuǎn)變一定會像橄欖石系列相變、后鈣鈦礦相變一樣，有力地促進對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認識。（宗華）
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