2019年3月17日，地空学院刘曦课题组与中科院地化所刘耘课题组就俯冲带研究提出亚稳后尖晶石楔新假说，论文发表在国际矿物学杂志Minerals上。

半个世纪前提出的亚稳橄榄石楔假说（Metastable Olivine Wedge Hypothesis）认为在极冷的俯冲板片内部，正常温压条件下会发生的橄榄石向瓦兹利石和林伍德石的相转变被抑制，从而橄榄石以亚稳相的形式存在于地幔转换带（~410-660 km）甚至上下地幔边界处（~660 km）。该假说普遍用来解释俯冲板片在地幔转换带的滞留现象、俯冲带地区的深源地震及大量其他地球物理学观测结果。然而近几年来，普林斯顿大学等单位的学者发现了几种新的具有橄榄石成分的高压亚稳相，证明它们可在较低温度下、或者瞬间高温高压条件下由镁橄榄石、瓦兹利石或者林伍德石通过晶格剪切形变而形成。

地空学院刘曦研究员、本科生张一宁、硕士生张彦垚等同中科院地化所刘耘研究员、博士生张一宁合作，利用第一性原理计算的方法，系统地评估了目前已发现的三种镁橄榄石高压亚稳相的晶体结构、状态方程以及动力学稳定性，详细地探讨了它们同其他相关地幔矿物如橄榄石、瓦兹利石、林伍德石、布里齐曼石、方镁石和秋本石等在高温高压下的相关系。结果表明，具有后尖晶石结构的Fo-III相在0-100 GPa的压力范围内具有热力学稳定性。特别的，Fo-III相（图1；0 GPa）中所有的Si原子都同附近的O原子组成Si-O八面体，一半的Mg原子形成Mg-O三棱柱，另一半的Mg原子则形成Mg-O八面体。另外，所有的M-O（M = Si, Mg）多面体都各自通过共用一条棱或一个面的方式沿着a轴形成链状结构，暗示Fo-III相具有很强的弹性各向异性，在地震波观测方面会有很好的信号。尤其重要的是，静态计算（0 K）的结果表明（图2）橄榄石结构在~22 GPa下转变成后尖晶石结构（即Fo-III相）；在高温高压下，该相转变大致位于地幔转换带下部（~600 km），具有负的Clapeyron斜率（-1.1 MPa/K）；该相变为吸热反应，有利于维持俯冲板片的低温。

结合前人关于亚稳橄榄石在地幔转换带条件下相变动力学的研究结果，他们认为Fo-III很有可能在达到~600 km的俯冲带内部由橄榄石发生相变而形成（图3）。如果Fo-III确实能够在深俯冲的板片内部形成，那么由于其密度高于周围地幔（~6%），它将有助于俯冲板片继续向地球深部俯冲。另一方面，该相变带来~12.6%的体积变化，结合其晶格剪切相变机制，它很可能是很多深源地震的根源。因此，亚稳后尖晶石楔新假说的提出对于俯冲板块动力学、深源地震等研究领域而言，具有重要意义，为这些领域的研究工作提供了新思路。

本研究受中国科学院战略性先导科技专项（B类）“地球内部过程与表层系统的联系”（No. XDB 18000000），中国科学技术部国家重点研发计划项目“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”（No. 2016YFC0600408），和中国科学技术部国家科技基础条件平台项目（2013FY110900-3）的资助。

论文信息：Yining Zhang, Yanyao Zhang, Yun Liu, Xi Liu. 2019. A metastable Fo-III wedge in cold slabs subducted to the lower part of the mantle transition zone: A hypothesis based on first-principles simulations.Minerals, 9(3), 186; doi: 10.3390/min9030186.论文链接：https://www.mdpi.com/2075-163X/9/3/186

图1. 0 GPa下Fo-III晶体结构（Mg：黄色；Si：深蓝色；O：蓝色）

图2. 0 K下各矿物相的焓随压力的变化

图3. Fo-III相形成的温压条件（实验和理论计算结果）