俯衝板片擾動導致的地震不連續性是一個長期未解的地學之謎。近日，由北京高壓科學研究中心研究員Takayuki Ishii與德國拜羅伊特大學Artem Chanyshev博士領銜的國際研究團隊提出，俯衝板塊區域上下地幔邊界的顯著塌陷並非由後尖晶石相變引起，而是由秋本石到布里奇曼石的相變導致。相關研究成果發表於1月5日出版的《自然》。
上下地幔邊界位於地下660公里處，被稱為D660地震不連續面。但是在冷的俯衝板塊，該不連續面顯示位於660公里以下的深度，比如在湯加俯衝板塊，D660不連續面深度可達740公里。660公里的不連續性普遍被認為是由林伍德石分解（後尖晶石相變）反應所致。因此，俯衝帶底部不連續面的嚴重塌陷（740公里深度）被認為是由於相對較低的俯衝帶溫度導致林伍德石的分解反應深度增加所致。然而，高壓實驗模擬顯示，後尖晶石相變具有平緩的相邊界，溫度依賴性較小，似乎不能解釋顯著的上下地幔邊界凹陷。此外，地震觀測顯示，在俯衝板片670公里深度也觀測到不連續性介面，該不連續面也與後尖晶石相變深度不一致。
在這項研究中，科學家在1250~2085K的溫度範圍內，利用自主研發的多面頂壓機技術，結合原位X射線衍射技術，準確確定了MgO-SiO2體系中林伍德石的分解和秋本石—布里奇曼石（MgO、SO2均為其主要成分）相變邊界。
“之前對於上下地幔邊界塌陷的爭議主要是由對相變邊界確定的不準確性造成的，我們透過改進傳統多面頂壓機技術，將壓力測量的誤差降低到傳統技術的1/2~1/4，並且開發了一種多相共存時確定穩定相的新方法：觀察低壓相和高壓相共存時相對X射線衍射峰強度的增加或減少。該方法可以幫助克服相變動力學引起的實驗誤差，從而準確確定相變邊界。”Ishii解釋說。
研究結果表明，在660公里的深度範圍內，林伍德石到布里奇曼石+方鎂石的分解反應邊界非常平緩，尤其在低溫區，斜率幾乎為零，這與之前的報道一致。因此，後尖晶石相變的深度與地幔平均溫度下660公里的不連續面深度一致。
另一方面，秋本石到布里奇曼石的相變邊界具有陡峭的斜率，尤其是低溫區的明顯相變壓力改變是之前實驗未探測到的。低溫下，秋本石—布里奇曼石的相變成負斜率陡坡意味著此區域對應明顯的溫度—壓力相變關係。也就是說，溫度越低，相變壓力越高（深度越深）。因此，在俯衝物質擾動的低溫區，林伍德石首先分解為秋本石和方鎂石，秋本石再在高壓（更深處）下轉變為布里奇曼石。地震波所觀測到的俯衝板塊670公里的不連續面正好對應林伍德石的分解（林伍德石—秋本石+方鎂石）。以上兩個相變導致了670公里和740公里深度的雙重地震不連續面。
該研究澄清了長達多年的關於俯衝板片上下地幔邊界塌陷的爭議。另外，科學家提出不同的俯衝板塊對應不同的溫度以及不同的相變規律，從而對地幔物質的交換和對流產生不同影響。（趙熙熙）
來源： 中國科學報
