近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院吳忠慶教授合作研究揭示，下地幔礦物中鐵的自旋轉變會導致地幔中部的縱波波速對溫度變化不敏感，解釋了多個地震層析成像觀測到的不尋常波速結構的成因，從而為利用自旋轉變效應認識地球內部結構打開了一扇門。相關工作成果發表在《美國科學院院刊》上，《科學》雜誌以特選欄目介紹了該工作。
鐵方鎂石中的鐵從有磁矩的高自旋態轉變到沒有磁矩的低自旋態會顯著降其波速，但不同於其它礦物相變有一個明顯的波速間斷面，鐵方鎂石中的鐵是逐漸從高自旋態過渡到低自旋態，是一個平滑的相變，這導致利用地震學手段探測該轉變的努力沒有成功，該轉變被認為是地震學不可見的。
吳忠慶教授研究組通過分析自旋轉變下的彈性數據，發現自旋轉變可在地震層析成像圖中留下可觀測的多個特徵，例如它會導致縱波波速在~1750公裡深度對溫度變化不敏感，其後果就是起源於深部的地幔柱會在~1750公裡深度中斷，這樣的現象已經在夏威夷等地多個熱點下的地幔柱縱波成像圖中觀測到，但一直沒有得到很好的理解。地幔柱是起源於核幔邊界的熱物質上湧流，穿越整個地幔到達巖石圈底部，是板塊運動的主要驅動力之一，能夠解釋地表熱點軌跡，大火成巖省形成等眾多地質觀測現象，因此直接證實地幔柱是地球科學非常重要的一個課題，利用熱物質波速慢的特點，地震學成像是目前觀測地幔柱主要手段。但實際觀測發現多個地幔柱在~1750公裡深度波速並沒有明顯變慢，即上湧熱物質在這個深度左右突然變的不熱，這很難理解，也跟地幔柱的整個概念有衝突。
該研究組的研究結果表明，上湧物質其實還是熱的，只不過自旋轉變下縱波波速在這個深度對溫度變化不敏感，給人溫度不高的錯覺，該研究工作給地幔柱模型強有力的支持。由於找到了識別自旋轉變的特徵，可以預期自旋轉變一定會象橄欖石系列相變、後鈣鈦礦相變一樣有力地促進了我們對地球內部結構的認識。
來源：中國科學技術大學