含水岩浆洋刻画的D" 层结构 | NSR

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地球深部存在着一个神秘的 D" 层，它位于大约 3,000 公里深处，坐落在熔融的外地核和固态的地幔边界上方。D" 层并不是一个完美的球圈体，它的厚度因位置而异，一些区域甚至完全没有D" 层。这种斑驳不均的的特征就像从海洋升起大陆一样，存在显著的不均一性，正因这独特属性，D"层已成为地球物理和矿物学界中最受关注的区域之一。

一项由中美研究团队合作的研究表明，D"层的这种不均一性可追溯至地球最早期。研究团队由北京高压科学研究中心的胡清扬研究员和美国普林斯顿大学的邓杰教授领衔，他们的理论基于巨大撞击假说，该假说认为一个火星大小的天体撞击了原始地球，随后在撞击后形成一个遍布全球的岩浆洋。他们认为 D" 层可能是这种巨大撞击留下的独特成分，因此包含有关地球形成的线索。这个全球岩浆洋中存在大量的水，虽然这些水的确切来源仍具有争议，近年来已提出多种外源或内生起源假说，包括岩浆洋与星云气体发生反应形成水，或者由外部彗星撞击输送水等。然而基本确定的是随着岩浆洋冷却，水会逐渐沉降到岩浆洋底部；在接近冷却完成的最后阶段，最为靠近地核的岩浆可能含有相当于几个地球当年海洋的水量。

底部岩浆洋的结晶过程与化学反应生成富铁过氧化物。

底部岩浆洋的极端压力和温度条件创造了独特的化学环境，促进水和矿物之间发生新的深部反应。研究表明在D" 层深部，这种含水的岩浆洋有利于形成一种富含铁的物质，称为铁镁过氧化物。它的化学式为 (Fe,Mg)O₂，与下地幔中其他主要成分相比，它对铁的亲和力更强。据估算，这种强大的铁亲和力可能导致富铁过氧化物堆积成几公里到几十公里厚的层，这与D" 层的非均质球圈体结构不谋而合。

D"层的矿物组成也可能随之改写，富铁的 (Fe, Mg) 过氧化物将有望成为一种新的主要矿物相，主要在接近地核地幔边界富集。富铁过氧化物在塑造 D" 层的异质结构方面发挥了关键作用，它具有低地震波速和高电导率，成为解释D" 层独特地球物理特征的潜在候选矿物。富铁斑块的密度更高，与地幔间产生显著的密度差异，阻止其与地幔其他物质混合，导致D" 层的异质性能够长久存在，这个模型与最近的数值模拟结果非常吻合，表明最下地幔的异质性可能源自于早期岩浆岩结晶过程中发生的深部新化学。

这项成果发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR），受国家自然科学基金原创探索项目（基金号42150101，U1930401）和腾讯新基石基金委的共同支持。