核幔边界小尺度超低速区的热－化学－相结构及其演化的三维动力学数值模拟

Ultra low velocity zones (ULVZs) are regions above the core-mantle boundary of very low seismic velocity observed by seismological studies. ULVZs are mostly likely to be found along the margins and interiors of the Large Low Shear Velocity Provinces (LLSVPs) although they are much smaller in both vertical and lateral scales comparing to LLSVPs. The origin of ULVZs is still unclear. Several hypotheses co-exist, such as thermal origin, thermo-chemical origin, as well as thermal,chemical, and phase (TCP) origin. We intend to investigate the effects of composition-dependent phase change from perovskite (Pv) to post-perovskite (pPv) in the core-mantle regions, and examine the hypothesis of iron-enriched pPv as an origin of ULVZs. By combining the numerical results and the seismological observations, we expect to offer insights into the origin and evolution of ULVZs, and evolution of the thermal, chemical and phase structure in the CMB regions.

地震学观测研究发现在核幔边界区域存在着很多地震波速度很慢的”超低速区”。地震学观测还发现这些超低速区大多分布于下地幔大尺度低速区的边缘及内部，但在空间尺度上远小于位于非洲和太平洋板块之下的大尺度低速区。对于它们的成因以及演化至今还存在很大的争议，其代表性的假说将超低速区的成因分成“热”结构，“热－化学”结构，以及“热－化学－相”结构三大类。本项目拟通过三维数值模拟手段，结合矿物物理学的进展，研究在核幔边界区域形成的与成分(含铁量)相关的过钙钛矿对于核幔边界区域“热－化学－相”结构及其演化的影响，通过与地震学观测的比较来检验核幔边界超低速区的"富含铁过钙钛矿相变成因假说",以期深化对核幔边界小尺度超低速区形成机制和演化过程的理解和认识。

本项目围绕下地幔非均匀性对热-化学-相结构及演化的影响进行了数值模拟研究，得到了如下结果：.（1）编写了数值模拟程序STAGYY中基于矿物物理实验数据的矿物物性/相变化的扩展程序.（2）系统研究了下地幔铁方镁石中二价铁发生自旋转换对下地幔热-化学结构（大尺度低速体）长期稳定性的影响，发现该现象对大尺度低速体长期稳定性的改变起次要作用，但其影响随着主要控制因素（密度差）减小而增大。.（3）系统研究了形成于地球早期不同阶段的原始地幔物质由于放射性内生热元素非均匀分布以及钙钛矿/铁方镁石混合比例造成的粘性差异对下地幔大尺度低速体长期稳定性的影响。发现高非均匀内生热与高成分相关粘性对大尺度低速体的长期稳定性起相反的调节作用。. 本项目通过对下地幔非均匀性的系统研究，指出了其演化过程中多种主要非均匀性质对下地幔热-化学结构长期稳定性的复杂影响。为实验以及观测科学进一步研究和理解下地幔热-化学-相结构及其动力学演化过程提供参照和约束。