近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授合作研究揭示，下地幔礦物中鐵的自旋轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致地幔中部的縱波波速對(duì)溫度變化不敏感，解釋了多個(gè)地震層析成像觀測(cè)到的不尋常波速結(jié)構(gòu)的成因，從而為利用自旋轉(zhuǎn)變效應(yīng)認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)打開了一扇門。相關(guān)工作成果發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》上，《科學(xué)》雜志以特選欄目介紹了該工作。 

　　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(huì)顯著降其波速，但不同于其它礦物相變有一個(gè)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(guò)渡到低自旋態(tài)，是一個(gè)平滑的相變，這導(dǎo)致利用地震學(xué)手段探測(cè)該轉(zhuǎn)變的努力沒有成功，該轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是地震學(xué)不可見的。 

　　吳忠慶教授研究組通過(guò)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可觀測(cè)的多個(gè)特征，例如它會(huì)導(dǎo)致縱波波速在~1750公里深度對(duì)溫度變化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱會(huì)在~1750公里深度中斷，這樣的現(xiàn)象已經(jīng)在夏威夷等地多個(gè)熱點(diǎn)下的地幔柱縱波成像圖中觀測(cè)到，但一直沒有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔邊界的熱物質(zhì)上涌流，穿越整個(gè)地幔到達(dá)巖石圈底部，是板塊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一，能夠解釋地表熱點(diǎn)軌跡，大火成巖省形成等眾多地質(zhì)觀測(cè)現(xiàn)象，因此直接證實(shí)地幔柱是地球科學(xué)非常重要的一個(gè)課題，利用熱物質(zhì)波速慢的特點(diǎn)，地震學(xué)成像是目前觀測(cè)地幔柱主要手段。但實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)多個(gè)地幔柱在～1750公里深度波速并沒有明顯變慢，即上涌熱物質(zhì)在這個(gè)深度左右突然變的不熱，這很難理解，也跟地幔柱的整個(gè)概念有沖突。 

　　該研究組的研究結(jié)果表明，上涌物質(zhì)其實(shí)還是熱的，只不過(guò)自旋轉(zhuǎn)變下縱波波速在這個(gè)深度對(duì)溫度變化不敏感，給人溫度不高的錯(cuò)覺，該研究工作給地幔柱模型強(qiáng)有力的支持。由于找到了識(shí)別自旋轉(zhuǎn)變的特征，可以預(yù)期自旋轉(zhuǎn)變一定會(huì)象橄欖石系列相變、后鈣鈦礦相變一樣有力地促進(jìn)了我們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。 

    上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、“973”計(jì)劃、中科院海外創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等基金的支持。

自旋轉(zhuǎn)變下熱異常產(chǎn)生的P波波速結(jié)構(gòu)示意圖