近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院王文忠特任教授與多位學者合作，通過第一性原理計算與機器學習相結合的方法，發現位于地球核幔邊界高速區域的超低速區是由超離子態鐵氫化物形成，相關成果以“Superionic iron hydride shapes ultralow-velocity zones at Earth’s core–mantle boundary”為題通過直投方式發表在美國國家科學院院刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

地球核幔邊界(CMB)是地球內部成分差異最大的邊界層，是地核與地幔物質和能量交換的重要場所。近二十年的地震學研究發現，在CMB上方存在不同尺度的低速異常體，如位于非洲和太平洋板塊下方的大型低剪切波速省(LLSVP)，以及位于LLSVP內部和周圍的超低速區(ULVZ)。理解這些低速異常體的特征和成因對理解核幔邊界的動力學演化過程具有重要意義。

ULVZ通常有數百公里寬，數十公里厚，相比于周圍地幔其具有明顯的低波速和高密度特征，因此能夠長期穩定在CMB。傳統觀點認為ULVZ的成因主要分為兩種：溫度異常和成分異常。對于溫度較高的區域(如LLSVP內部)，部分熔融可能是ULVZ的主要成因。然而，最近的地震學研究發現，ULVZ不僅存在于低速區域，在一些高速區域(如俯沖板片附近或內部)也探測到了ULVZ，無法通過簡單的部分熔融來解釋，需要成分異常來解釋。

板片俯沖是將地表水輸送到地球深部的重要途徑。在下地幔底部，俯沖板片脫水與液態外核發生反應生成FeHx，且這種物質能夠與下地幔的主要礦物相共存。然而，由于缺乏對FeHx的波速、密度、熔點等物理性質的約束，目前尚不清楚這一物質能否是形成ULVZ的潛在成因。

研究團隊采用“第一性原理計算+機器學習“的方法對FeHx在核幔邊界條件下的穩定性和熱彈性性質開展了研究。結果表明，在核幔邊界的溫壓條件下，FeHx能夠以超離子態的形式穩定存在(圖1a)：Fe原子在其晶格平衡位置附近振動，類似于固體，而H原子能夠像流體一樣在晶格間擴散。

圖1. (a) FeHx的相圖;(b)CMB條件下fcc-FeH的波速和密度特征

由于擴散導致的剪切軟化效應，超離子態FeHx具有極低的波速，其V_P和V_S分別比正常地幔低34%和63%，密度比正常地幔高50%（圖1b），與ULVZ的地震學特征吻合，表明超離子態FeHx可能是ULVZ的一種重要成因，尤其能形成在高速區內形成的ULVZ。這種ULVZ的形成主要通過兩種機制：一方面，俯沖板片深部脫水與鐵核反應形成FeHx；另一方面，俯沖板片作為較冷區域能夠促進液態外核中的FeHx析出(圖2)。這一研究揭示了水在地球核幔邊界產生速度異常結構方面發揮了重要作用。

圖2.核幔邊界ULVZs形成過程示意圖

論文的第一單位為中國科學技術大學，第一作者為博士研究生張瑜，通訊作者為王文忠特任教授，合作者包括中國科學技術大學李云國教授和吳忠慶教授。本研究得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研專項資金的支持。計算工作主要在中國科學技術大學的超算中心完成。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2406386121

（地球和空間科學學院、科研部）