中国科大在探究地球核幔边界超低速区成因方面取得重要进展

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院王文忠特任教授与多位学者合作，通过第一性原理计算与机器学习相结合的方法，发现位于地球核幔边界高速区域的超低速区是由超离子态铁氢化物形成，相关成果以“Superionic iron hydride shapes ultralow-velocity zones at Earth’s core–mantle boundary”为题通过直投方式发表在美国国家科学院院刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

地球核幔边界(CMB)是地球内部成分差异最大的边界层，是地核与地幔物质和能量交换的重要场所。近二十年的地震学研究发现，在CMB上方存在不同尺度的低速异常体，如位于非洲和太平洋板块下方的大型低剪切波速省(LLSVP)，以及位于LLSVP内部和周围的超低速区(ULVZ)。理解这些低速异常体的特征和成因对理解核幔边界的动力学演化过程具有重要意义。

ULVZ通常有数百公里宽，数十公里厚，相比于周围地幔其具有明显的低波速和高密度特征，因此能够长期稳定在CMB。传统观点认为ULVZ的成因主要分为两种：温度异常和成分异常。对于温度较高的区域(如LLSVP内部)，部分熔融可能是ULVZ的主要成因。然而，最近的地震学研究发现，ULVZ不仅存在于低速区域，在一些高速区域(如俯冲板片附近或内部)也探测到了ULVZ，无法通过简单的部分熔融来解释，需要成分异常来解释。

板片俯冲是将地表水输送到地球深部的重要途径。在下地幔底部，俯冲板片脱水与液态外核发生反应生成FeHx，且这种物质能够与下地幔的主要矿物相共存。然而，由于缺乏对FeHx的波速、密度、熔点等物理性质的约束，目前尚不清楚这一物质能否是形成ULVZ的潜在成因。

研究团队采用“第一性原理计算+机器学习“的方法对FeHx在核幔边界条件下的稳定性和热弹性性质开展了研究。结果表明，在核幔边界的温压条件下，FeHx能够以超离子态的形式稳定存在(图1a)：Fe原子在其晶格平衡位置附近振动，类似于固体，而H原子能够像流体一样在晶格间扩散。

图1. (a) FeHx的相图;(b)CMB条件下fcc-FeH的波速和密度特征

由于扩散导致的剪切软化效应，超离子态FeHx具有极低的波速，其VP和VS分别比正常地幔低34%和63%，密度比正常地幔高50%（图1b），与ULVZ的地震学特征吻合，表明超离子态FeHx可能是ULVZ的一种重要成因，尤其能形成在高速区内形成的ULVZ。这种ULVZ的形成主要通过两种机制：一方面，俯冲板片深部脱水与铁核反应形成FeHx；另一方面，俯冲板片作为较冷区域能够促进液态外核中的FeHx析出(图2)。这一研究揭示了水在地球核幔边界产生速度异常结构方面发挥了重要作用。

图2.核幔边界ULVZs形成过程示意图