2022年10月19日，《自然》（Nature）发表的题为《地球深地幔中布里奇曼石的钙溶解》（Calcium dissolution in bridgmanite in the Earth’s deep mantle）文章指出，低温低压下稳定共存的两种具有钙钛矿结构的矿物相在高温高压下会互溶成一种矿物相，这表明温度足够高的深部下地幔可能具有不同于浅层下地幔的矿物学特征；与此同时，由于早期地球地幔的温度要高很多，这意味着早期下地幔的矿物学特征也许不同于现今的下地幔。 

　　准确的矿物组成对于人们理解占地球体积一半以上的下地幔来说是必不可少的。人们普遍认为(Mg,Fe)(Al,Si)O₃布里奇曼石和CaSiO₃毛钙硅石与(Mg,Fe)O铁方镁石能一起存在于下地幔。其中，毛钙硅石被认为是整个下地幔中第三丰富的矿物，该矿物在现今下地幔所处的压力和温度条件下能稳定存在。然而一些新的实验研究发现了一些值得注意的例外情况：在更高的压力或更高的温度下并没有观察到毛钙硅石的存在。 

　　来自美国密歇根州立大学的研究人员通过开展高压高温实验揭示了布里奇曼石和毛钙硅石共存的稳定性。实验结果表明，由于钙在布里奇曼石中的溶解度会在约2300 K和超过40 GPa时急剧增加，达到一个足以使地幔中所有CaSiO₃成分被完全溶入布里奇曼石的水平，导致毛钙硅石在沿地温曲线超过约1800公里的深度消失。铁和铝似乎在调节钙在布里奇曼石中的溶解度方面起着关键作用，铁能增加了CaSiO₃在布里奇曼石中的溶解度，而铝则降低了其溶解度（图1）。 

　　鉴于此，研究人员提出从较浅下地幔的双钙钛矿区域（简称TPD，布里奇曼石+毛钙硅石）到较深下地幔的单钙钛矿区域（简称SPD，富含钙的布里奇曼石）的变化。如果下地幔的温度逐渐升高，从TPD到SPD的深度间隔将会发生变化。比如温度增加50 K将使TPD到SPD过渡带（TSTZ）的深度间隔变为130～200公里。虽然目前由于地幔温度的不确定性，很难准确确定TSTZ的深度间隔，但可以肯定的是，由温度变化将导致从TPD区域到SPD区域的深度发生巨大的横向变化（超过500公里）。 

图1 CaSiO₃在布里奇曼石中溶解度的急剧增加和下地幔的矿物学模型

　　研究人员表示，由于早期地幔应该比现今更热，以富含钙的布里奇曼石为特征的SPD的厚度在地球早期会更大，并且随着地幔的冷却而变薄。因此，了解富钙布里奇曼石的性质对于理解下地幔随时间的变化非常重要。而许多地震观测结果表明较深下地幔具有不同于较浅下地幔的结构特征，因此很有可能需要对下地幔矿物学模型进行重新修正，这将对理解下地幔的组成、结构、动力学和演化产生重要影响。　　  

　　（编译/王晓晨；审核/张志刚）

　　原文题目：Calcium dissolution in bridgmanite in the Earth’s deep mantle

　　来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05237-4