后尖晶石相变的非线性特征及其对全球地幔对流和板块俯冲的调控作用

本研究通过激光加热金刚石压腔实验结合同步辐射X射线衍射，首次揭示了Mg2SiO4后尖晶石相变(post-spinel transition)边界的非线性特征，发现其Clapeyron斜率(γpost-spinel)随温度变化显著(-4至0 MPa/K)。该发现解释了全球660 km不连续面的温度依赖性动力学效应，为理解板块俯冲和地幔柱活动提供了新的热力学约束。

　　

地球深部相变控制着地幔对流和板块运动的动力学过程。其中，后尖晶石相变(post-spinel transition)作为上-下地幔边界(约660 km深度)的标志性反应，长期以来被认为具有线性压力-温度关系。这种简化假设忽略了温度变化对相变动力学的潜在影响，导致对地幔对流、板块俯冲和地幔柱活动的理解存在偏差。

哈佛大学的研究人员通过创新性实验设计和机器学习分析，在《Nature Communications》发表的研究中解决了这一关键问题。研究团队采用激光加热金刚石压腔(LH-DAC)结合同步辐射X射线衍射技术，在16-28 GPa和1573-2723 K范围内系统研究了Mg₂SiO₄的相稳定性。通过整合9组实验的17个加热点数据，并结合4组文献中的多砧压机(MA)数据，首次量化了后尖晶石相变的非线性特征。

关键技术方法包括：(1)激光加热金刚石压腔产生地幔过渡带温压条件；(2)同步辐射X射线衍射实时监测相变过程；(3)机器学习算法(多类逻辑回归和监督学习)构建相图；(4)全球地幔温度模型整合板块俯冲和地幔柱热力学数据。

结果与讨论

原位实验观测

研究获得了Mg₂SiO₄在高压高温下的相变序列：在20.6±1.3 GPa/1616±162 K时仅存在瓦兹利石(wadsleyite, wd)，升温至21.0±1.5 GPa/1785±187 K时首次出现林伍德石(ringwoodite, rw)衍射峰，继续升温至22.2±1.9 GPa/2173±252 K时出现布里奇曼石(bridgmanite, bm)和方镁石(ferropericlase, pe)的衍射峰。

2SiO₄相变过程的X射线衍射图谱'>

相边界的非线性特征

机器学习分析揭示后尖晶石相变边界呈现显著非线性：Clapeyron斜率从2100 K时的-4.1 MPa/K变为1950 K时的-2 MPa/K，到1600 K时接近0 MPa/K。这种变化源于bm和pe的热膨胀系数(α)温度依赖性差异。相较之下，wd?rw相变边界在相同温度范围内保持线性(5.7 MPa/K)。

2SiO₄相图'>

全球地幔动力学意义

温度依赖性的Clapeyron斜率导致不同热力学环境下相变效应差异：(1)冷板块(T₆₆₀=1600±130 K)的γ_post-spinel≈-0.2 MPa/K，几乎不阻碍俯冲；(2)热地幔柱(T₆₆₀=2060±80 K)的γ_post-spinel≈-3.6 MPa/K，显著阻碍上升流。这种差异解释了西太平洋板块快速俯冲与地幔柱在660 km深度停滞的现象。

该研究突破了传统线性相变模型的局限，为理解地球演化过程中地幔对流模式的转变提供了新视角。温度依赖性的相变效应表明，太古代高温地幔可能比现代更具分层性，而现今不同热状态的板块和地幔柱会表现出差异性的跨界面行为。这些发现将推动新一代地幔对流模型的建立，为板块构造和深部地幔动力学的耦合研究奠定基础。