新华社合肥4月1日电(记者徐海涛)下地幔是地球内部最重要的圈层之一，深度范围约为660公里到2900公里，被称为地球演化的“压舱石”。近期，中国科学技术大学研究团队与美国学者合作研究发现，下地幔最大的低速异常体可能起源于地球早期岩浆海演化，这将对理解地球深部结构、层圈相互作用等方面产生重要影响。国际学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。 　　近年来，有学者发现在下地幔存在许多尺度不一的异常体，包括大尺度高速、低速异常体和小尺度散射体。下地幔最大的低速异常体——大型低剪切波速省，位于非洲和太平洋板块下部，其横向和径向尺度可达上千公里。与其他类地行星相比，地球具有一个非常独特的特点——板块运动和俯冲。板块可以俯冲至地球深部甚至核幔边界，将洋壳带至地幔深部，从而可能导致下地幔形成化学物质不均一性。 　　下地幔主要矿物为布里奇曼石，是下地幔铁的主要载体。前期研究发现，岩浆中的二价铁会歧化成三价铁和铁单质。铁单质从早期岩浆分离进入地核，会使早期下地幔富集三价铁。 　　近期，中科大吴忠庆教授课题组王文忠博士与美国密歇根州立大学刘嘉超博士、亚利桑那州立大学李明明教授合作，他们通过高温高压实验和第一性原理计算发现，中度富三价铁的布里奇曼石会分解成极度富三价铁和贫三价铁布里奇曼石，这种新发现的富三价铁布里奇曼石具有低波速、高泊松比和高密度。正常地幔富集5%到15%的富三价铁布里奇曼石，可以很好地解释有关大型低剪切波速省的地震学观测结果，且地球动力学模拟显示这种异常体可以在下地幔形成类似于大型低剪切波速省的结构。 　　他们认为，早期岩浆演化形成的含三价铁布里奇曼石，分解成极度富三价铁布里奇曼石，很可能导致了大型低剪切波速省的形成。 查看详细>>

北京高压科学研究中心研究员胡清扬、Duckyoung Kim和刘锦带领的团队，利用理论计算和实验相结合的方法首次发现：地球深部的含水矿物——羟基氧化铁（FeO2H）会在约75万大气压、1500摄氏度以上时进入超离子态，而这个温度和压力范围覆盖了下地幔深部的大部分区域。相关工作近期发表于《自然—地球科学》杂志。 约30年前有理论预测，水（H2O）在极端高温高压条件下会进入一种介于固态冰与液态水之间的新形态——超离子态。这种形态下，水分子中的氢原子会脱离晶格的束缚而在固体氧原子晶格中像液体一样自由扩散，从而使固态冰由绝缘体向导体转变。这种理论预测的“超离子态冰”直到2018年才被科学家采用光导率测量的实验方法证实。 不同于超离子冰中的固体氧晶格，地球下地幔矿物主要由镁、铁、硅和氧等原子组成晶格。在地球内部高温高压环境下，氢原子能否像在氧晶格中一样在复杂的含水矿物晶格中自由流动而形成超离子态？这一问题的答案对于理解地球内部的物质循环、热量传导、磁场状态、电场状态和氢元素的循环等具有深刻的影响。 上述研究团队首先通过理论计算发现在超离子态下，自由移动的氢离子会导致FeO2H的电导率在相变点突然增加。随后通过高温高压下的电导率测量，他们发现在100万-121万大气压下，当FeO2Hx被加热到1500-1700摄氏度时，其电导率增大了两倍。高温促使氢离子像自由电子一样在FeO2晶格中自由移动，从而使电导率急剧增加。电导率的突变是超离子态最直接最强有力的证据，因此研究人员认为FeO2Hx在此温度压力条件下进入了超离子态。 FeO2H是地幔深部首个被发现的超离子态含水矿物。传统上认为受制于固体相的高黏性，地幔对流是很慢的，时常需要以万年甚至百万年为单位的地幔内部的活动。超离子态氢类似于液体，在高温下能进行高速扩散运动。它不但能快速传递热能，同时由于氢具有质量，因而也是物质传输的载体。这一发现将使得地幔对流速率比以往提升数个数量级，并对于地球内部的物质和能量循环产生巨大的改变。 相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41561-021-00696-2 查看详细>>

从中国科学院地球化学研究所获悉，该所联合的多家合作团队，使用理论计算和实验相结合的方法，首次发现了地球深部地幔中超离子态的氢氧化铁矿物。 此前，有理论预测水在极端高温高压条件下，会进入一种介于固态冰与液态水之间的新形态——超离子态。北京高压科学研究中心胡清扬研究员、刘锦研究员等人带领的团队，与中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室合作，使用理论计算和实验相结合的方法，首次发现了地球深部的超离子态——含水矿物羟基氧化铁会在压力大约75万大气压，温度高于1500摄氏度的条件时进入超离子态。这个温度和压力范围，覆盖了下地幔深部的大部分区域。国际期刊《自然·地球科学》发表了这一研究成果。 “这是地幔深部首次发现超离子态含水矿物。”北京高压科学研究中心主任毛河光院士点评说，这一发现，将使地幔对流速率提升几个数量级，对人们认识地球内部物质和能量循环将是颠覆性的。 查看详细>>

“上世纪板块构造理论的提出，我们贡献不大，21世纪地球科学进入了‘圈层动力过程整合’的新时代，青藏高原将是我们在地球系统科学取得重大突破的前沿阵地。”6月2日，中国科学院院士、国家自然科学基金委副主任侯增谦在“第16届青藏高原地球科学学术年会”上指出。 青藏高原被称为“世界屋脊”、地球第三极。长期以来，印度-欧亚大陆碰撞、青藏高原隆升及其对环境和人类的影响等，不仅是地球系统科学关注的焦点，更是事关人类社会可持续发展的重要科学问题。 然而，随着地球各系统相互作用研究的深入，地球科学研究已不仅限于表层地球系统，而是需要整合地球各个圈层的系统变化，这让研究变得更加“复杂”...... 圈层整合需要学科融合 印度—欧亚大陆板块自碰撞以来，引发了持续不断的造山活动，造成了亚洲大陆内部大范围的陆内变形和相关的地质灾害，导致了喜马拉雅-青藏高原隆升，同时对浅表圈层的大气圈、生物圈和水圈产生了重要影响。 中国科学院院士、中国科学院青藏高原所所长陈发虎表示，研究圈层相互作用，不仅是岩石圈的问题，而是要将地球深部、浅部、地表和大气结合起来，统筹考虑岩石圈、水圈、冰冻圈、大气圈和生物圈之间的相互作用。 2019年，陈发虎牵头负责基金委“青藏高原地球系统”基础科学中心项目，瞄准高原生长与全球变化双驱动下的多圈层链式响应及影响这一核心科学问题，通过综合集成发展自己的青藏高原地球系统模型，阐明人类适应高原环境的历史与机理，建立青藏高原地球系统科学研究范式，支撑青藏高原地区可持续发展和生态文明建设，服务国家“一带一路”倡议。 “今后还应当要有人类圈和人类活动，系统地将地质学、地球物理学、地理学、大气科学、生态学和考古学、人类学等多学科联合起来，共同解决青藏高原地球系统演化，努力引领地球系统科学的发展。”陈发虎说。 在陈发虎看来，中国科学院青藏高原所实际上起到了平台作用，努力争取更多资源，凝聚更多学者，协同攻关，共同推进青藏高原地球系统科学的国际领先研究和服务国家青藏高原战略的双安全需求。 创新理论引领科学前沿 基础研究要引领国际前沿。新一轮科学理念的发展，必然带来新的范式和新理论的变革。 在侯增谦看来，青藏高原具有强烈的多圈层相互作用和广泛的资源环境效应，是构建地球系统科学理论、实现21世纪地球科学理论新突破的绝佳试验场。 侯增谦表示，地球系统科学的研究势必引起地学研究范式的变革，带来更精细、多尺度、模型化、注重耦合的科学研究模式，这需要每一个从事地球科学研究的科研工作者认真思考：如何实现跨维研究整合，打破时空尺度、跨越固体-流体圈层，应对不同空间在不同时间尺度上的关联这一挑战，通过数据—模式驱动科学研究体系引领圈层动力过程新的科学研究范式。 从事青藏高原地球科学研究的中国科学家们正试图回答这一问题。 服务国家战略需求 基础研究如何服务国家重大战略？也是此次会议中，诸多院士专家关心的重要问题。 中国科学院院士、中国科学院青藏高原所学术副所长丁林指出，青藏高原及其周边组成的地球第三极是我国生态安全、水资源安全、国土安全屏障，也是我国战略资源储备基地和以藏族为主的少数民族特色文化保护地，还是率先实现碳中和的示范区。 “国家重大需求倒逼基础研究。”国家领导人为我国基础科学研究指明了方向。丁林直言，发挥地学人的责任和担当，将地球系统科学研究与“四个面向”有机结合，做出更大的贡献。 查看详细>>