地球物理探测是认知地球深部结构和物质组成的重要手段。自20世纪80年代在大陆地壳变质岩中首次发现柯石英以来，科学家们通过矿物学、岩石学、地球化学、高温高压实验和地球动力学等多学科研究，逐渐认识到长英质大陆地壳可以俯冲至＞300 km的地幔深度，甚至可俯冲至地幔转换带和下地幔。然而，探测俯冲大陆地壳的深部结构一直是固体地球科学领域的一大难题，目前地震学方法探测到的俯冲大陆地壳最大深度仅为150-180 km，阻碍了我们认知大陆板块的深部俯冲形态和动力学过程。地球物理学家通常将这一难题归因于地震成像分辨率不足，或深俯冲大陆地壳波速与周围地幔无明显差异。此外，地球深部常见的高速异常体，也通常被解读为深俯冲的洋壳或岩石圈地幔物质，且存在强烈争议。因此，大陆地壳在地球深部（>150 km）的波速性质是解决上述科学问题的关键。
由于在地球内部极端条件下进行岩石波速原位测量非常困难，目前学术界主要通过基于高压实验的矿物物性计算和热力学计算方法来获得俯冲陆壳的波速。矿物物性计算法虽然能直接获得矿物的弹性参数，但需依赖于高压相平衡实验获得的矿物组合和矿物含量等关键信息，因此这种方法得到的波速结果受限于实验温压条件。热力学相平衡计算能模拟岩石在高温高压条件下达到热力学平衡的相关系，与矿物弹性参数相结合，可进一步计算岩石波速。然而，该方法计算俯冲大陆地壳波速面临两个难点：（1）现有部分高压矿物热力学参数不够完善；（2）缺乏压力超过6 GPa条件下的高压矿物弹性数据库。因此，如何利用热力学计算量化地球深部俯冲陆壳波速演化是一项极具挑战性的工作。
为了破解这一难题，中国科学院地质与地球物理研究所李仪兵博士后和合作导师陈意研究员，联合田小波研究员、梁晓峰副研究员、刘丽军研究员和牛津大学Richard M. Palin副教授，基于前人高温高压实验结果，标定了高压矿物CAS相、多硅白云母和α‐PbO2结构金红石的热力学参数，通过热力学计算重现了实验获得的矿物组合和矿物含量。此外，为了克服因不同途径对矿物弹性参数测量带来的不确定性，研究团队采用统计学方法——多参数最小方差无偏估计，对实验岩石学和第一性原理计算获得的高压矿物弹性数据进行系统地拟合和标定，并运用蒙特卡洛模拟进行定量误差估计，建立了适用于整个上地幔乃至地幔过渡带尺度的全新矿物弹性数据库。在此基础上，研究团队进一步对大陆上地壳、下地壳、大洋地壳和岩石圈地幔开展了系统的热力学模拟，定量计算了不同俯冲物质在不同俯冲环境下的波速随深度的演化曲线，并通过与区域和全球尺度的地震学观测结果对比，获得如下新认识：
（1）俯冲大陆地壳的波速显著不同于周围地幔，且其波速异常程度与俯冲深度相关，主要受控于柯石英/斯石英、多硅白云母/钾锰钡矿和硬玉/CF相等相变（图1）。俯冲上地壳有3个最佳探测窗口：＜250 km、300-390 km和610-660 km。俯冲下地壳有2个探测窗口：300-390 km和520-660 km；
图1 俯冲陆壳波速和密度性质随深度的演化曲线。UCC-上地壳；LCC-下地壳；MORB-洋壳；Harzbugite-方辉橄榄岩；AK135为一维地球径向速度参考模型
（2）在新都库什和缅甸中部地区深部地幔（320-400 km）观测到的高达4-5%的VP正异常，不是冷俯冲洋壳或大陆岩石圈地幔造成的结果，极有可能存在10-25%俯冲上地壳的贡献（图2）。因此，上地壳在地幔中的体积对于俯冲大陆地壳能否被地震学探测起关键作用；
图2 俯冲大陆岩石圈（a）和大洋岩石圈（b）的P波速速度结构。黑虚线框是地震学在新都库什和缅甸中部320-400 km观测到的高VP正异常，阴影区域是理论计算预测的俯冲上地壳最佳探测窗口
（3）俯冲组分引发的波速异常会随着与周围地幔的热平衡逐渐消失，但俯冲上地壳在最佳探测深度仍保持高的VP正异常（图3），这解释了为何在一些古老的造山带和克拉通深部地幔中仍能观测到高的VP正异常。进一步结合全球P波层析成像结果，研究者认为现今深部地幔中可能普遍存在俯冲大陆地壳物质残片。
图3 与周围地幔达到热平衡的俯冲陆壳波速性质（a、b、c）和密度（d）结构
该项工作表明，即使少量俯冲陆壳（~10%）进入深部地幔也会引发显著的地震波速异常，并能被现代地震学方法所探测（图4）。热力学相平衡模拟计算可为地球物理高分辨探测数据解译提供理论依据，有潜力成为认知地球内部物质组成和结构的强力手段。随着地球物理学和地质学观测新结果的不断涌现，未来研究可结合热力学计算和地球动力学模拟，重新审视地球内部物理和化学不均一异常体的起源与演化，以更准确地理解地球内部物质组成、结构和运行机制。
图4 俯冲陆壳和MORB在深部地幔的波速模型图
研究成果发表于国际学术期刊GRL (李仪兵, 陈意*, Richard M. Palin, 田小波, 梁晓峰, 刘丽军. Detectable continental crust in the Earth's deep interior inferred from thermodynamic modeling [J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51(17). Doi:10.1029/2024GL111556.)。成果受中国科学院战略先导计划B项目（XDB0710000）和国家自然科学基金项目（42172064, 42302053）共同资助。
