近期，中國科學技術大學地球和空間科學學院教授吳忠慶課題組與教授孫道遠以及中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員倪四道合作，發現俯衝至下地幔的洋殼物質具有明顯不同於周圍地幔的波速和密度，且波速和密度異常依賴於深度，能夠很好地解釋地震學觀測到的下地幔小尺度散射體和大尺度高速異常體，表明俯衝洋殼是地球深部物質不均一性的重要來源。該研究以 Velocity and density characteristics of subducted oceanic crust and the origin of lower-mantle heterogeneities為題在線發表在國際綜合學術期刊《自然-通訊》（Nature communications）上。
了解地球的物質組成對理解地球起源、演化與動力學過程至關重要。地球內部圈層可大致分為地殼、上地幔、下地幔和地核。下地幔是地球內部最重要的圈層之一，深度範圍約為660-2900公里，其體積和質量占比高達55%和52%，是地球演化的壓艙石。雖然很難獲得來自下地幔的樣品，但是地震波具有穿透整個地球的能力，從而提供了地球深內部結構探測的關鍵手段。近年來，隨著地震波觀測、分析與模擬技術的發展，地震學者發現在下地幔存在許多尺度不一的異常體，包括大尺度（幾百至上千公里）的高速和低速異常體和小尺度（幾公里）的散射體。尤為著名的低速異常體是位於非洲和太平洋板塊底下的大型低剪切波速省（LLSVPs），其橫向和徑向尺度可達上千公里。這些異常體的成因對理解地球內部結構與物質組成起著關鍵的作用，對制約地球起源和動力學演化亦為重要，是地球科學研究的熱點與前沿問題。
和其它類地行星相比，地球具有一個非常獨特的特點——板塊運動和俯衝。板塊可以俯衝至地球深部甚至核幔邊界，從而在下地幔形成化學物質不均一性。俯衝洋殼是俯衝大洋岩石圈最上面一層的矽酸鹽物質，相比於正常地幔，其更富含SiO2，很可能是下地幔不均一性的主要來源。目前，關於下地幔的異常主要由地震波速表征，因此，開展俯衝洋殼在下地幔溫度和壓強條件下的波速特徵研究具有關鍵的意義。
下地幔的壓強和溫度可達130GPa和3000K。在下地幔高溫高壓條件下，俯衝洋殼主要是由布立基曼石、SiO2相、含鋁相和鈣鈣鈦礦組成。通過高壓實驗準確測量礦物在下地幔溫壓條件下的波速十分困難，因此數據十分有限。而基於第一原理的礦物物理學計算在研究不同元素、多種礦物組合的波速方面，具有靈活、高效的優勢。吳忠慶課題組在早些年發展了一種基於第一性原理的高溫高壓彈性和波速計算方法，計算效率有數量級的提升。經過數年的研究積累，該課題組確定了俯衝洋殼在下地幔溫壓條件的波速和密度特徵（圖1）。研究結果表明，洋殼的波速隨深度變化而變化：在斯石英相變成CaCl2-型石英的深度區間，洋殼表現為低波速，橫波波速異常高達-10%；在更深處，洋殼則表現為高波速，橫波波速異常約1.5-2.5%。這意味著LLSVPs的低剪切波速不太可能是洋殼導致，而地震學層析成像發現的下地幔高速體很可能反映了洋殼的堆積。因此，俯衝洋殼在下地幔並非簡單地表現為高速或者低速，而是取決於深度。俯衝洋殼可以很好地解釋下地幔下部的高速異常體和在整個下地幔發現的散射體（圖2），這項成果為進一步研究下地幔物質異常和動力學過程提供了關鍵認識。
論文共同第一作者為王文忠和徐印涵，近期博士畢業於吳忠慶研究組；王文忠和吳忠慶為論文共同通訊作者；中國科大為該論文第一單位。該工作由中科院先導專項、科技部「973」項目、國家自然科學基金項目資助。
圖1 （a）（b）（c）俯衝洋殼的波速和密度；（d）（e）（f）俯衝洋殼相對於正常地幔（PREM）的波速和密度異常
圖2 俯衝洋殼與下地幔波速異常體的關係示意圖
來源： 中國科學技術大學