铁自旋转换对下地幔大尺度低速体结构和稳定性的动力学影响

摘要

近年来,矿物物理实验研究结果表明在下地幔的温压条件下,矿物中的二价铁会发生自旋转换,从而导致地幔矿物的密度、热导率以及粘弹性等物理属性发生变化1,2.同时,在下地幔还存在着可能由于化学成分差异引起的大尺度低速体的存在3.通过地球动力学数值模拟实验来定量研究由于铁自旋转换对下地幔大尺度低速铁结构和稳定性的动力学影响. 在原有数值模拟程序STAGYY4中导入了矿物物理实验得到的铁自旋转换在不同温压条件下引起的密度变化作为密度的约束条件，在网格为128×1024的二维模型中对铁自旋转换的影响做了研究。通过研究发现，铁自旋转换引起的密度差异的变化对大尺度低速体的长期稳定性影响非常小，加入铁自旋转换后，大尺度低速体的高度会略微增加，同时地幔对流变得更加活跃，可以使大尺度低速体的边缘更加陡峭，这也跟地震学观测更相近。 除此之外，加入了铁自旋转换之后的地幔对流增强，会导致下地幔大尺度低速体随时间的变化增加。发现，加入铁自旋转换之后的模型中，随着地幔热柱进入上地幔的物质较不加入铁自旋转换的模型增加了接近一倍。这个现象与加入过钙钛矿的效应相类似。