近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院教授吳忠慶等合作研究發現，下地幔礦物中鐵的自旋轉變會導致地幔中部的縱波波速對溫度變化不敏感，從而解釋了多個地震層析成像觀測到的不尋常波速結構的成因，為利用自旋轉變效應認識地球內部結構打開了一扇門。《科學》雜志的“特選欄目”也介紹了該工作。

據了解，鐵方鎂石中的鐵從有磁矩的高自旋態轉變到沒有磁矩的低自旋態會顯著降低其波速。但不同于其他礦物相變有一個明顯的波速間斷面，鐵方鎂石中的鐵是逐漸從高自旋態過渡到低自旋態，是一個平滑的相變。這導致利用地震學手段探測該轉變的努力一直沒有成功。

吳忠慶研究組通過分析自旋轉變下的彈性數據，發現自旋轉變可在地震層析成像圖中留下多個可觀測特征。例如，它會導致縱波波速在～1750公里深度對溫度變化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱會在～1750公里深度中斷。這樣的現象已在夏威夷等地多個熱點下的地幔柱縱波成像圖中觀測到，但一直沒有得到很好的解釋。

地幔柱是起源于核幔邊界的熱物質上涌流，穿越整個地幔到達巖石圈底部，是板塊運動的主要驅動力之一。地震學成像是目前觀測地幔柱的主要手段，但實際觀測發現，在～1750公里深度多個地幔柱的波速并沒有明顯變慢，即上涌熱物質在這個深度突然變得不熱。這個現象很難理解，也跟地幔柱的整個概念有沖突。

最新研究表明，上涌物質其實還是熱的，只不過自旋轉變下縱波波速在這個深度對溫度變化不敏感，造成溫度不高的錯覺。該研究為地幔柱模型提供了強有力的支持。同時，由于找到了識別自旋轉變的特征，可以預期自旋轉變一定會像橄欖石系列相變、后鈣鈦礦相變一樣，有力地促進對地球內部結構的認識。（宗華）