铁的自旋转变对铁方镁石弹性的影响及对认识下地幔成分的意义

Spin transition of iron dramatically reduce the bulk modulus and bulk velocity of ferropericlase. The spin transition covers most of areas of lower mantle and hence is an effective way to constrain tighter the ratio of ferropericlase in lower mantle. However, this can not be done unless we know very clear about the effect of the spin transition on elasticity of ferropericlase at pressure and temperature of lower mantle. Currently, because of technology challenge, we only know the effect of the spin transition on elasticity of ferropericlase at room temperature. Here we will make use of the advantage of first-principles calculations on the elasticity of minerals at high temperature and pressure to inverstigate the unusual effects of spin transition on the elasticity of ferropericlase and provide systematic data and features of the dependence of elasticity anomalies on temperature, pressure, and iron concentration. We will take advantage of spin transition effect to constrain tighter the ratio of ferropericalse and the iron concentration in ferropericlase of lower mantle. We will analyze the characteristics of the anomalous variation of wave velocity of ferropericlase casued by change of temperature and iron concentration. These characteristics will provide useful knowledge to distinguish the origin of lateral velocity variation of lower mantle. Owing to the dramatic and unusual effect of spin transiton on the elasticity of ferropericlase, it is very possible that we will obtain some important findings from these new results and improve our understanding on lower mantle.

铁的自旋转变导致铁方镁石体模量和体波波速的显著降低。该自旋转变发生在下地幔的大部分区域，是一个用来限定下地幔铁方镁石含量的有效手段。但前提是我们必须对地幔温压下，自旋转变对铁方镁石弹性的影响有清楚的认识。由于实验困难，目前我们只有室温下的结果。本项目将利用第一性原理计算在矿物高温高压弹性方面的优势，研究自旋转变对铁方镁石弹性的不寻常效果，提供弹性反常随温度、压强、铁含量变化的系统知识；利用自旋转变效应更好的限定下地幔中铁方镁石及铁方镁石中铁的含量。分析温度和铁含量变化引起的波速反常变化的特点，为区分下地幔波速侧向变化的成因提供必要的基础。考虑到自旋转变对铁方镁石弹性的不同寻常的影响，我们极有可能从这些新结果中得到一些重要发现，深化我们对下地幔的一些认识。

我们研究了自旋转变下的铁方镁石的高温高压弹性特性，分析了自旋转变下的下地幔波速特点和地球动力学特征，在地球物理三个主要分支：矿物物理、地震学、地球动力学都找到支持下地幔发生铁自旋转变的有力证据，指出自旋转变是深化对地球内部认识非常有用的现象。主要结果简介如下：.（1）提出了一个描写自旋转变下弹性的公式，并运用到铁方镁石中，揭示为什么铁方镁石的剪切模量没有像体模量那样出现软化，结果被后来的实验证实，从而解决了剪切模量的实验报道间的分歧。计算的铁方镁石弹性跟所有测量的实验数据符合，但Murakami等人外插的铁方镁石横波波速则普遍比计算的结果要小~9%，因此他们的下地幔几乎完全由钙钛矿硅酸盐组成的结论需要重新分析。.（2）尽管自旋转变不会导致下地幔波速跳变，但它会对波速横向变化产生不同寻常的可观测的效果：纵波在特定深度对温度变化不敏感。起源于核幔边界的地幔热柱纵波图像会在~1750公里深度看上去出现中断。这个现象已经在夏威夷和冰岛等多个热点下的地幔柱纵波模型中出现。自旋转变也能同时解释类似深度出现的其它不寻常波速结构特征：如体模量波波速（bulk sound velocity）和横波波速变化的负相关性，从而揭示了多个现象之间的内在联系。.（3）利用自旋转变效应限定下地幔约含10%-15%铁方镁石, 在这些成分下，下地幔中部纵波波速对温度变化都不敏感, 无需成分变化也会在下地幔中部出现体模量波和横波波速的负相关现象,进一步研究还发现跟地幔纵波波速对温度变化不敏感刚好相反，纵波波速对铁方镁石的含量非常敏感..（4）利用地球动力学模拟揭示铁方镁石的自旋转变对大低波速块体（LLSVPs）的形成扮演关键的角色，考虑自旋转效应后，LLSVPs的两个关键结构特征包括清晰的边界和近1000公里的高度就引刃而解，该研究从地球动力学的角度支持下地幔发生了自旋转变。