硅酸鈣鈣鈦礦(CaSiO3 perovskite, CaPv)是位列布里奇曼石[Mg(Fe)SiO3 perovskite, MgPv], 鐵方鎂石[Mg(Fe)O]之后的下地幔第三大礦物(~6 wt%)，尤其富集于俯沖進入地幔的洋中脊玄武巖(mid-ocean ridge basalt, MORB, ~30 wt%)中。為確定富含CaPv的俯沖洋殼在地幔中的分布，首先需要明確CaPv的彈性波速特征。這一看似簡單的問題，國際知名的研究組卻先后給出了高于、接近以及遠低于地幔平均波速的結果[ Stixrude et al.,2007; Kawai and Tsuchiya,2015; Gréaux et al.,2019]，使之成為礦物物理學中一個著名的未解之謎。
CaPv和MgPv同屬于包含Si-O八面體的鈣鈦礦結構，但由于Mg和Ca離子半徑的差異，其晶體結構有很大不同。MgPv在其穩定溫壓范圍內始終處于正交相, CaPv則會隨溫度上升，從低溫下的四方相轉變為立方相。Gréaux et al. [2019]首次在小于23GPa和1700 K的范圍內原位測量了立方相CaPv的彈性性質，發現其剪切模量遠低于 Stixrude et al. [2007]的理論計算結果(26%)，比 Kawai and Tsuchiya [2015]的計算結果也要低近17%。理論計算與實驗測量出現如此大的差異，對一個沒有電子強關聯的體系是很罕見的, 也給確定俯沖洋殼在地幔的分布帶來了極大的不確定性。Thomson et al. [2019]基于CaPv波速實驗數據外推發現，下地幔底部的大低剪切波速省(large low shear velocity province，LLSVP)可能由富含CaPv的俯沖洋殼堆積而成；而 Wang et al.[2020]則從 Kawai and Tsuchiya [2015]計算得到的波速出發，認為LLSVP無法由俯沖洋殼構成。解決這些分歧，需要對CaPv的波速特征有更為確切的認識。
圖1. CaPv的四方-立方相轉變: (a) 晶格參數 (b)等壓熱容在18.3GPa隨溫度的變化關系; (c) 相邊界。
孫濤-張懷研究團隊采用機器學習勢方法，對CaPv的波速進行了深入研究。機器學習勢方法保持了第一性原理的精度，同時大大提高了模擬效率和規模，從而得以觀察到前人未能發現的新現象。研究表明，在通常地幔溫壓條件下，CaPv的波速與地幔PREM模型十分接近，難以通過地震學觀測識別。 但在對應冷俯沖板片在下地幔底部的溫壓條件，CaPv將處于四方-立方相轉變的邊緣，此時立方相CaPv會顯示出強烈的前驅軟化(precursor softening)[ Carpenter and Salje , 1998], 使得其剪切波速顯著低于PREM。
圖2.沿(a)正常地幔 (b) 冷俯沖板片溫度梯度的CaPv密度及波速剖面。
該項研究成果不僅有助于平息長期以來圍繞CaPv彈性波速特征的爭議，還引出了一個認識LLSVP以及地球內部演化的新范式。鑒于絕大多數礦物的彈性波速隨溫度升高而降低，前人一直認為LLSVP的溫度高于周圍地幔。高溫意味著低粘滯度，即LLSVP相比周圍地幔更容易發生變形，這與實際觀測到的LLSVP具有較弱的地震波各向異性相矛盾；此外，高溫、易變形的LLSVP也難以解釋其長期穩定存在以及為何地幔柱大都出現于其邊緣。CaPv前驅軟化效應的發現，表明LLSVP可能由冷俯沖洋殼堆積而成。低溫、難以變形的LLSVP自然會具有較弱的地震波各向異性。此外，它們還可能像坐落在地幔底部的巨錨一樣改變地幔對流模式：熱的地幔流碰到低溫、難以變形的LLSVP后，沿著其邊緣上涌形成地幔柱。這一新范式若能被后續研究證實，將極大地深化人們對地球內部演化機制的認識。
該項研究由中國科學院大學孫濤-張懷研究團隊與英國倫敦大學學院John Brodholt教授合作完成, 近日由美國科學院院報(PNAS)在線發表(www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410910122 )，國科大博士研究生張馳為論文第一作者。研究由國家自然科學基金41972044以及U2239205資助完成。
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