中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室吴忠庆教授合作研究揭示，下地幔矿物中铁的自旋转变会导致地幔中部的纵波波速对温度变化不敏感，解释了多个地震层析成像观测到的不寻常波速结构的成因，从而为利用自旋转变效应认识地球内部结构打开了一扇门。工作发表在近期的《美国科学院院刊》上，《科学》杂志的编辑特选栏目以“Ample explanation for seismic variation”为题介绍了该工作。这是继2013年吴忠庆教授等人在《物理评论快报》发表自旋转变对铁方镁石弹性不寻常的影响的工作后的又一个重要进展。 

图1  自旋转变下热异常产生的P波波速结构示意图 

铁方镁石中的铁从有磁矩的高自旋态转变到没有磁矩的低自旋态会显著降其波速，但不同于其它矿物相变有一个明显的波速间断面，铁方镁石中的铁是逐渐从高自旋态过渡到低自旋态，是一个平滑的相变，这导致利用地震学手段探测该转变的努力没有成功，该转变被认为是地震学不可见的。吴教授仔细分析了自旋转变下的弹性数据，发现自旋转变可在地震层析成像图中留下可观测的多个特征，例如它会导致纵波波速在~1750公里深度对温度变化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱会在~1750公里深度中断，这样的现象已经在夏威夷等地多个热点下的地幔柱纵波成像图中观测到，但一直没有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔边界的热物质上涌流，穿越整个地幔到达岩石圈底部，是板块运动的主要驱动力之一，能够解释地表热点轨迹，大火成岩省形成等众多地质观测现象，因此直接证实地幔柱是地球科学非常重要的一个课题，利用热物质波速慢的特点，地震学成像是目前观测地幔柱主要手段。但实际观测发现多个地幔柱在～1750公里深度波速并没有明显变慢，既上涌热物质在这个深度左右突然变的不热，这很难理解也跟地幔柱的整个概念有冲突，而吴教授的研究结果表明上涌物质其实还是热的，只不过自旋转变下纵波波速在这个深度对温度变化不敏感，给人温度不高的错觉（图1），吴教授的工作给地幔柱模型强有力的支持。由于找到了识别自旋转变的特征，可以预期自旋转变一定会象橄榄石系列相变、后钙钛矿相变一样有力地促进了我们对地球内部结构的认识。 

吴忠庆教授系列关于自旋转变的工作受到中国自然科学基金、973计划、中科院海外创新团队等基金的支持，并应邀在AOGS2014, AGU做邀请报告。 

论文链接：http://www.pnas.org/content/early/2014/07/03/1322427111.full.pdf　

Science 杂志介绍：http://www.sciencemag.org/content/345/6196/twil.full#compilation-1-8-article-title-1 

（地空学院、科研部）