俯沖板片擾動(dòng)導(dǎo)致的地震不連續(xù)性是一個(gè)長(zhǎng)期未解的地學(xué)之謎。近日，由北京高壓科學(xué)研究中心研究員Takayuki Ishii與德國(guó)拜羅伊特大學(xué)Artem Chanyshev博士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)提出，俯沖板塊區(qū)域上—下地幔邊界的顯著塌陷并非由后尖晶石相變引起，而是由秋本石到布里奇曼石的相變導(dǎo)致。相關(guān)研究成果發(fā)表于1月5日出版的《自然》。

上、下地幔邊界位于地下660公里處，被稱為D660地震不連續(xù)面。但是在冷的俯沖板塊，此不連續(xù)面顯示位于660公里以下的深度，比如在湯加俯沖板塊，D660不連續(xù)面出現(xiàn)深度可達(dá)740公里。660公里的不連續(xù)性普遍被認(rèn)為是由林伍德石分解(后尖晶石相變)反應(yīng)所致。因此，俯沖帶底部不連續(xù)面的嚴(yán)重塌陷（740公里深度）被認(rèn)為是由于相對(duì)較低的俯沖帶溫度導(dǎo)致林伍德石的分解反應(yīng)深度增加所致。然而，根據(jù)高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M顯示：后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(cè)顯示，在俯沖板片670公里深度也有觀測(cè)到不連續(xù)性界面，此不連續(xù)面也與后尖晶石相變深度不一致。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家在1250-2085 K的溫度范圍內(nèi)，利用自主研發(fā)的多面頂壓機(jī)技術(shù)，結(jié)合原位X射線衍射技術(shù)，準(zhǔn)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(duì)于上下地幔邊界塌陷的爭(zhēng)議的主要原因是對(duì)相變邊界確定的不準(zhǔn)確性造成的，我們通過改進(jìn)傳統(tǒng)多面壓機(jī)技術(shù)，將壓力測(cè)量的誤差降低到傳統(tǒng)技術(shù)的2-4倍，并且開發(fā)了一種多相共存時(shí)確定穩(wěn)定相的新方法：觀察低壓相和高壓相共存時(shí)相對(duì)X射線衍射峰強(qiáng)度的增加或減少。該方法可以幫助克服相變動(dòng)力學(xué)引起的實(shí)驗(yàn)誤差，從而準(zhǔn)確確定相變邊界。”Ishii解釋說(shuō)。

研究結(jié)果表明，在660公里的深度范圍內(nèi)，林伍德石到布里奇曼石+方鎂石的分解反應(yīng)邊界非常平緩，尤其在低溫區(qū)，斜率幾乎為零，這與之前的報(bào)道一致。因此，后尖晶石相變的深度與地幔平均溫度下的660公里的不連續(xù)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(qū)的明顯的相變壓力改變是之前實(shí)驗(yàn)未探測(cè)到的。低溫下，秋本石—布里奇曼石的相變成負(fù)斜率陡坡意味著此區(qū)域?qū)?yīng)明顯的溫度—壓力相變關(guān)系。也就是說(shuō)，溫度越低，相變壓力越高（深度越深）。因此，在俯沖物質(zhì)擾動(dòng)的低溫區(qū)，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(zhuǎn)變?yōu)椴祭锲媛５卣鸩ㄋ^測(cè)到的俯沖板塊670公里的不連續(xù)面正好對(duì)應(yīng)林伍德石的分解（林伍德石—秋本石+方鎂石）。以上兩個(gè)相變導(dǎo)致了670和740公里深度的雙重地震不連續(xù)面。

該研究澄清了長(zhǎng)達(dá)多年的關(guān)于俯沖板片，上—下地幔邊界塌陷的爭(zhēng)議。另外，他們提出不同的俯沖板塊對(duì)應(yīng)不同的溫度以及不同的相變規(guī)律，從而對(duì)地幔物質(zhì)的交換和對(duì)流將產(chǎn)生不同的影響。