近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授課題組與美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Renata Wentzcovitch教授課題組及美國(guó)康奈爾大學(xué)Geoffrey Abers教授合作，在俯沖帶淺部地震波速各向異性成因上取得重大進(jìn)展。相關(guān)成果以“Elastic Anisotropy of Lizardite at Subduction Zone Conditions”為題，發(fā)表在地球科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters上。

地球內(nèi)部水循環(huán)是理解地球演化與動(dòng)力學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵。在俯沖帶，水可以隨著大洋板片一起俯沖進(jìn)入地球深部。在海溝附近，板片彎曲變形形成大量平行于海溝的正斷層，海水可以沿著斷層面進(jìn)入板片內(nèi)部并與地幔礦物發(fā)生反應(yīng)生成蛇紋石。地幔礦物的蛇紋石化通常會(huì)顯著影響其地震波速、各向異性、泊松比和密度等一系列特征。利蛇紋石是俯沖帶淺部溫壓條件下最穩(wěn)定的蛇紋石礦物（圖1），其含水量高達(dá)13 wt%。因此，利蛇紋石在高溫高壓下的彈性性質(zhì)對(duì)揭示俯沖帶蛇紋石化程度、含水量以及地球內(nèi)部的水循環(huán)都有重要意義。

圖1.利蛇紋石穩(wěn)定溫壓范圍與俯沖板片溫壓曲線。深綠色粗實(shí)線為利蛇紋石與葉蛇紋石+水鎂石的相界，綠色陰影區(qū)域?yàn)槔呒y石穩(wěn)定域。

該課題組利用第一性原理計(jì)算方法確定了俯沖帶溫壓條件下利蛇紋石的彈性性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的波速各向異性，其剪切波各向異性幾乎是其高壓相葉蛇紋石的兩倍。地震學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)俯沖帶的淺部都存在剪切波分裂且快波方向平行于海溝的現(xiàn)象。在一些俯沖帶，如湯加與中美洲等地，其剪切波分裂的延遲時(shí)間可以達(dá)到~2s，表明這些俯沖帶下方具有非常強(qiáng)的各向異性。如此大的延遲時(shí)間很難用橄欖石等常見地幔礦物的定向排列解釋。

變形實(shí)驗(yàn)表明，蛇紋石可以在剪切應(yīng)力下發(fā)生定向排列，其慢軸方向垂直于剪切面。因此，通過(guò)蛇紋石的地震波在垂直于剪切面的偏振方向上傳播得更慢。俯沖板片中，彎曲變形形成的正斷層的斷層面在俯沖帶淺部接近垂直。而斷層中的剪切應(yīng)力會(huì)使板片中的蛇紋石產(chǎn)生定向排列，且慢軸方向垂直于海溝。因此，俯沖板片中的蛇紋石也許可以用來(lái)解釋這些俯沖帶的各向異性。

圖2.剪切波分裂延遲時(shí)間與對(duì)應(yīng)需要的各向異性層厚度間的關(guān)系，60vol%與100vol%為假設(shè)的蛇紋石化程度。

研究分析表明，采用合理的蛇紋石化程度以及定向排列程度，要產(chǎn)生湯加俯沖帶約1.8s的延遲時(shí)間，需要約60km厚的葉蛇紋石層（圖2），這大大超過(guò)了地震學(xué)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的湯加俯沖帶板片中低速層的厚度。然而，同樣條件下的利蛇紋石層只需要約30km厚就可以解釋，這也與湯加俯沖帶板片的低速層厚度一致。因此，利蛇紋石應(yīng)當(dāng)在俯沖帶淺部廣泛分布，這將對(duì)認(rèn)識(shí)俯沖帶的物理化學(xué)過(guò)程及地球內(nèi)部水循環(huán)等方面產(chǎn)生重要影響。

論文第一作者為博士生鄧忻，通訊作者為吳忠慶教授。合作者包括美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Renata Wentzcovitch教授、美國(guó)康奈爾大學(xué)Geoffrey Abers教授以及美國(guó)哥倫比亞大學(xué)博士生羅晨星。中國(guó)科大為該論文第一單位。該項(xiàng)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助。計(jì)算工作主要在中國(guó)科大超級(jí)計(jì)算中心與合肥先進(jìn)計(jì)算中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。