2019年3月17日，地空學院劉曦課題組與中科院地化所劉耘課題組就俯沖帶研究提出亞穩後尖晶石楔新假說，論文發表在國際礦物學雜志Minerals上。

半個世紀前提出的亞穩橄榄石楔假說（Metastable Olivine Wedge Hypothesis）認為在極冷的俯沖闆片内部，正常溫壓條件下會發生的橄榄石向瓦茲利石和林伍德石的相轉變被抑制，從而橄榄石以亞穩相的形式存在于地幔轉換帶（~410-660 km）甚至上下地幔邊界處（~660 km）。該假說普遍用來解釋俯沖闆片在地幔轉換帶的滞留現象、俯沖帶地區的深源地震及大量其他地球物理學觀測結果。然而近幾年來，普林斯頓大學等單位的學者發現了幾種新的具有橄榄石成分的高壓亞穩相，證明它們可在較低溫度下、或者瞬間高溫高壓條件下由鎂橄榄石、瓦茲利石或者林伍德石通過晶格剪切形變而形成。

地空學院劉曦研究員、本科生張一甯、碩士生張彥垚等同中科院地化所劉耘研究員、博士生張一甯合作，利用第一性原理計算的方法，系統地評估了目前已發現的三種鎂橄榄石高壓亞穩相的晶體結構、狀态方程以及動力學穩定性，詳細地探讨了它們同其他相關地幔礦物如橄榄石、瓦茲利石、林伍德石、布裡齊曼石、方鎂石和秋本石等在高溫高壓下的相關系。結果表明，具有後尖晶石結構的Fo-III相在0-100 GPa的壓力範圍内具有熱力學穩定性。特别的，Fo-III相（圖1；0 GPa）中所有的Si原子都同附近的O原子組成Si-O八面體，一半的Mg原子形成Mg-O三棱柱，另一半的Mg原子則形成Mg-O八面體。另外，所有的M-O（M = Si, Mg）多面體都各自通過共用一條棱或一個面的方式沿着a軸形成鍊狀結構，暗示Fo-III相具有很強的彈性各向異性，在地震波觀測方面會有很好的信号。尤其重要的是，靜态計算（0 K）的結果表明（圖2）橄榄石結構在~22 GPa下轉變成後尖晶石結構（即Fo-III相）；在高溫高壓下，該相轉變大緻位于地幔轉換帶下部（~600 km），具有負的Clapeyron斜率（-1.1 MPa/K）；該相變為吸熱反應，有利于維持俯沖闆片的低溫。

結合前人關于亞穩橄榄石在地幔轉換帶條件下相變動力學的研究結果，他們認為Fo-III很有可能在達到~600 km的俯沖帶内部由橄榄石發生相變而形成（圖3）。如果Fo-III确實能夠在深俯沖的闆片内部形成，那麼由于其密度高于周圍地幔（~6%），它将有助于俯沖闆片繼續向地球深部俯沖。另一方面，該相變帶來~12.6%的體積變化，結合其晶格剪切相變機制，它很可能是很多深源地震的根源。因此，亞穩後尖晶石楔新假說的提出對于俯沖闆塊動力學、深源地震等研究領域而言，具有重要意義，為這些領域的研究工作提供了新思路。

本研究受中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“地球内部過程與表層系統的聯系”（No. XDB 18000000），中國科學技術部國家重點研發計劃項目“燕山期重大地質事件的深部過程與資源效應”（No. 2016YFC0600408），和中國科學技術部國家科技基礎條件平台項目（2013FY110900-3）的資助。

論文信息：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.論文鍊接：https://www.mdpi.com/2075-163X/9/3/186

圖1. 0 GPa下Fo-III晶體結構（Mg：黃色；Si：深藍色；O：藍色）

圖2. 0 K下各礦物相的焓随壓力的變化

圖3. Fo-III相形成的溫壓條件（實驗和理論計算結果）