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(huì)導(dǎo)致地幔中部的縱波波速對(duì)溫度變化不敏感，從而解釋了多個(gè)地震層析成像觀測(cè)到的不尋常波速結(jié)構(gòu)的成因，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(kāi)了一扇門(mén)。《科學(xué)》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(huì)顯著降低其波速。但不同于其他礦物相變有一個(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)變的努力一直沒(méi)有成功。

吳忠慶研究組通過(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多個(gè)可觀測(cè)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(méi)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(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。地震學(xué)成像是目前觀測(cè)地幔柱的主要手段，但實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在～1750公里深度多個(gè)地幔柱的波速并沒(méi)有明顯變慢，即上涌熱物質(zhì)在這個(gè)深度突然變得不熱。這個(gè)現(xiàn)象很難理解，也跟地幔柱的整個(gè)概念有沖突。

最新研究表明，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，造成溫度不高的錯(cuò)覺(jué)。該研究為地幔柱模型提供了強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，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)像橄欖石系列相變、后鈣鈦礦相變一樣，有力地促進(jìn)對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。（宗華）