日前，我校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与来自美国明尼苏达大学的研究人员合作，利用第一性原理计算研究了高温高压下铁自旋转变对铁方镁石高温高压弹性的影响，解释了不同实验在自旋转变对横波波速影响存在分歧的成因，指出Murakami 等人［Nature 485，90（2012）］外延的铁方镁石横波波速数据存在极大的误差，由此得出的下地幔主要是钙钛矿的结论是不可靠的。这些系统完整的铁方镁石高温高压弹性数据为我们进一步利用自旋转变效应限定地球内部成分提供了关键的基础。研究结果近期发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 110, 228501 (2013)）上，Science杂志在编辑特选栏目以“Spinning Iron in the Mantle”为题介绍了该工作。

地幔中含有大量的铁，这些铁原子的磁矩在高压下是否会发生改变，以及这种改变对矿物性质会带来怎么样的影响，一直是地球科学研究领域的基本问题。2003和2004年，Badro等人从实验上观测到下地幔两大主要矿物——钙钛矿和铁方镁石——中的铁都会在下地幔的压强下经历高自旋到低自旋的转变，掀起了自旋转变对矿物特性包括弹性影响的研究热潮。吴忠庆教授和合作者用第一性原理计算研究了自旋转变对弹性的影响。第一性原理计算是一个解量子力学方程的方法，它无须引入任何经验参数，较易实现高温高压条件且所得的结果跟实验可以媲美，已成为获得矿物高温高压物性的重要方法。理论分析显示，自旋转变会显著降低纵波波速，但类似的现象不会在横波中发生，这是由铁方镁石的立方对称性决定的。但静压环境很难完全在高压实验实现，偏压会破坏铁方镁石的立方对称性，从而出现横波波速的反常降低。这很好地解释了不同实验观察到横波波速行为的分歧，也跟这些实验所采用的传压媒质维持静压条件的能力一致。

通过比较各种矿物在地幔温压条件下的波速和地球深部的波速可以最直接有效的限定地幔的组分。然而，受限于高压高温等实验条件，相关矿物在地幔温度和压强条件下的物性的测量数据非常很有限，必须将这些有限的实验数据进行外延才能讨论下地幔的成分等关键问题。2012年，Murakami 等人借助这种外延得出了下地幔主要是钙钛矿组成的结论(>93%)，与以往高温高压研究所得的结论（地幔岩，~80%钙钛矿）完全不同。避免外延的的一个有效方法是利用第一性原理计算。吴忠庆教授和合作者用第一性原理计算发现Murakami 等人的外延数据有问题。因为计算的结果跟所有测量的实验数据都能很好符合，但Murakami 等人的外延铁方镁石横波波速则普遍比计算的结果要小9%。计算结果表明地幔岩（pyrolite模型）是下地幔很好的组分模型，结果说明直接测量地幔对应的温度压强和成分条件下的物性以避免外延的必要性和迫切性。

本研究课题是在美国自然科学基金和国家自然科学基金面上项目及中科院外国专家局“创新团队国际合作伙伴计划”的资助下完成的。

论文链接：http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i22/e228501