近日，188bet足球地(di)球和空間科學學院(yuan)王文忠特任(ren)教授與(yu)多位學者合作(zuo)，通過第一性原理計算(suan)與(yu)機器學習相(xiang)結合的方(fang)法，發(fa)現位于地(di)球核幔邊界高速區域的超(chao)低速區是(shi)由超(chao)離子態(tai)鐵氫化物形成(cheng)，相(xiang)關成(cheng)果(guo)以“Superionic iron hydride shapes ultralow-velocity zones at Earth’s core–mantle boundary”為題通過直投(tou)方(fang)式發(fa)表(biao)在美國國家科學院(yuan)院(yuan)刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》。
地球(qiu)核幔邊界(CMB)是地球(qiu)內部成分差異最(zui)大(da)的邊界層，是地核與地幔物(wu)質和能量交換的重要場所(suo)。近二十年的地震學研究(jiu)發現，在(zai)CMB上方存在(zai)不同尺度的低速(su)異常體，如位于非洲和太平(ping)洋板(ban)塊下方的大(da)型低剪切波速(su)省(sheng)(LLSVP)，以及位于LLSVP內部和周圍的超低速(su)區(ULVZ)。理(li)(li)解這(zhe)些低速(su)異常體的特(te)征(zheng)和成因對理(li)(li)解核幔邊界的動力學演化過程具(ju)有重要意(yi)義(yi)。
ULVZ通常有(you)數百公里寬，數十公里厚，相(xiang)比于(yu)周圍地幔其具有(you)明(ming)顯的低波速(su)和高(gao)密度(du)特征(zheng)，因(yin)此能(neng)夠長期穩定在(zai)CMB。傳(chuan)統(tong)觀點認(ren)為(wei)ULVZ的成(cheng)(cheng)因(yin)主要(yao)(yao)分(fen)(fen)為(wei)兩種：溫度(du)異常和成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)異常。對(dui)于(yu)溫度(du)較高(gao)的區域(如(ru)LLSVP內部(bu))，部(bu)分(fen)(fen)熔融可能(neng)是(shi)ULVZ的主要(yao)(yao)成(cheng)(cheng)因(yin)。然而，最近(jin)(jin)的地震學研(yan)究發(fa)現，ULVZ不僅存在(zai)于(yu)低速(su)區域，在(zai)一些高(gao)速(su)區域(如(ru)俯沖(chong)板(ban)片附近(jin)(jin)或(huo)內部(bu))也探測到了ULVZ，無法(fa)通過簡單的部(bu)分(fen)(fen)熔融來解釋(shi)，需要(yao)(yao)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)異常來解釋(shi)。
板(ban)片俯沖是將(jiang)地表(biao)水輸送到地球深(shen)部(bu)的重要途徑。在(zai)下地幔底部(bu)，俯沖板(ban)片脫水與液態外核(he)發生(sheng)反應生(sheng)成(cheng)FeHx，且這種物(wu)質能夠(gou)與下地幔的主(zhu)要礦物(wu)相(xiang)共(gong)存。然(ran)而，由于(yu)缺乏對FeHx的波速(su)、密度、熔(rong)點等物(wu)理性(xing)質的約束，目前(qian)尚不清楚這一物(wu)質能否是形(xing)成(cheng)ULVZ的潛在(zai)成(cheng)因(yin)。
研究團隊采用“第(di)一性(xing)原理計(ji)算+機器學習“的(de)(de)方(fang)法(fa)對FeHx在(zai)核幔(man)邊(bian)界條(tiao)件下(xia)的(de)(de)穩定(ding)性(xing)和(he)熱彈性(xing)性(xing)質開展了研究。結果表(biao)明(ming)，在(zai)核幔(man)邊(bian)界的(de)(de)溫壓條(tiao)件下(xia)，FeHx能夠以超離子態的(de)(de)形式穩定(ding)存在(zai)(圖(tu)1a)：Fe原子在(zai)其晶格(ge)平(ping)衡位置(zhi)附近(jin)振動，類似(si)于固體，而H原子能夠像(xiang)流體一樣在(zai)晶格(ge)間擴(kuo)散。
圖1. (a) FeHx的相(xiang)圖;(b)CMB條(tiao)件(jian)下fcc-FeH的波速和密度特(te)征
由于擴散導致的剪切軟化效應，超離子態FeHx具有極低的波速，其VP和VS分別比正常地(di)幔低34%和63%，密(mi)度比正常地(di)幔高50%（圖(tu)1b），與ULVZ的地(di)震學特征(zheng)吻合，表(biao)明超離(li)子態(tai)FeHx可能(neng)是ULVZ的一種重(zhong)要(yao)成(cheng)因，尤其能(neng)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)在高速區(qu)內形(xing)(xing)(xing)成(cheng)的ULVZ。這種ULVZ的形(xing)(xing)(xing)成(cheng)主要(yao)通過兩種機(ji)制：一方面(mian)，俯沖(chong)板片深部(bu)脫水與鐵核(he)反應(ying)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)FeHx；另一方面(mian)，俯沖(chong)板片作(zuo)為較冷區(qu)域能(neng)夠促進液(ye)態(tai)外核(he)中(zhong)的FeHx析出(chu)(圖(tu)2)。這一研究揭示了水在地(di)球核(he)幔邊界產生速度異常結構方面(mian)發揮(hui)了重(zhong)要(yao)作(zuo)用。
圖2.核幔邊界ULVZs形成過程(cheng)示意圖
論文(wen)的第一(yi)單位(wei)為(wei)188bet足球，第一(yi)作(zuo)者為(wei)博士研究生張瑜，通訊(xun)作(zuo)者為(wei)王文(wen)忠特任教(jiao)(jiao)授，合(he)作(zuo)者包括(kuo)188bet足球李云(yun)國教(jiao)(jiao)授和(he)吳忠慶(qing)教(jiao)(jiao)授。本研究得到了國家自(zi)然科學基金和(he)中央高校基本科研專(zhuan)項(xiang)資金的支持。計(ji)算工作(zuo)主(zhu)要(yao)在(zai)188bet足球的超算中心(xin)完成。
論文鏈接：//doi.org/10.1073/pnas.2406386121
（地球和(he)空間(jian)科(ke)學學院、科(ke)研(yan)部）
