中国科大揭秘下地幔流变微观机制

近日，学院实验岩石学与矿物学团队在下地幔粘度演变机制研究方面取得重要进展。研究团队利用第一性原理计算，首次精准定量了下地幔主要矿物布里奇曼石中硅（Si）空位的平衡浓度分布，揭示了点缺陷对下地幔粘度跃升的微观控制机制。相关研究成果以“Point defects as a control on the viscosity jump in the lower mantle”为题，于2026年4月2日发表于国际地球科学领域顶级学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》（EPSL）。

 在下地幔环境下，布里奇曼石（MgSiO₃）的塑性变形主要受限于扩散控制型蠕变，其速率由晶格中扩散最慢的Si原子决定，而Si原子的扩散能力则直接取决于Si空位的浓度。研究团队采用第一性原理分子动力学结合热力学积分计算方法，系统研究了下地幔温压条件下布里奇曼石中Si空位的形成自由能、缺陷机制与浓度。研究发现：

（1）主导机制明确：在高压环境下，由于本征缺陷形成焓较高，由三价铝（Al³⁺）掺杂产生的外源Si空位在下地幔平衡浓度中占据主导地位。

（2）非单调分布规律：沿地球内部热梯度线，Si空位浓度随深度呈现先降低后升高的特征。具体而言，从下地幔顶部至中下地幔，Si空位浓度下降约1–2个数量级，随后在下地幔底部重新回升。

（3）宏微观关联：Si空位缺陷浓度的空间分布，完美解释了下地幔粘度先上升后下降的宏观流变剖面，与主流地球物理观测结果高度一致（图1）。

图1.基于本研究Si空位浓度 (R3 + R4) 沿地温梯度计算得到的粘度剖面。

研究团队基于精准计算的Si空位浓度，给出了下地幔流变参数的定量约束：在扩散蠕变机制下，布里奇曼石的平均晶粒尺寸约为1 mm；在纯爬升蠕变机制下，下地幔平均偏应力约为1 MPa。同时，研究指出，虽然Si空位浓度的变化可以很好解释下地幔整体粘度的升降趋势，但无法解释部分模型提出的660 km以深低粘度通道和1000 km处急剧粘度跃升等突变特征结构。这类流变特征无法仅由Si空位浓度和晶粒尺寸的变化解释（图2），需考虑成分不均一性作为控制因素，例如Al/Fe含量变化、俯冲板片化学异常、低强度矿物相的引入等。

该研究通过精准的矿物物理计算，消除了以往下地幔粘度模型中对缺陷浓度大规模假设的不确定性，为定量约束下地幔流变参数提供了科学依据。这一成果不仅深化了对地球内部动力学的认识，也为理解其他类地行星的内部演化提供了重要参考。

图2. a) 基于本研究Si空位浓度（R3 + R4）与Fei et al. (2023) 晶粒尺寸模型（紫色虚线）计算的下地幔粘度剖面；蓝色虚线为扩散蠕变产生的粘度，对应晶粒尺寸从660 km处约0.3 mm增至约2000 km处1 mm，再降至约2800 km处约0.3 mm。b) Fei et al. (2023) 晶粒尺寸模型与本研究使用模型对比。

此工作获得国家自然科学基金资助（42322201，42173040）。中国科学技术大学李云国特任教授为本研究的通讯作者，我校博士生豆佩雪为第一作者，合作者包括伦敦大学学院John Brodholt教授、Lidunka Vočadlo教授以及中国科学技术大学倪怀玮教授。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120008