2021年4月1日上午9:30~11:30，王文忠博士和大家分享了自己博士期间的一个工作：通过第一性原理计算研究下地幔异常体的成因。
地球内部物质组成是理解地球起源、演化与动力学的关键。地球可大致分为地壳、上地幔、下地幔和地核。下地幔是地球内部最重要的圈层之一，深度范围约为660~2900公里，其体积和质量占比高达55%和52%，是地球演化的压舱石。近年来，地震学者发现在下地幔存在许多尺度不一的异常体，包括大尺度（几百至上千公里）的高速和低速异常体和小尺度（几公里）的散射体。尤为著名的低速异常体是位于非洲和太平洋板块底下的大型低剪切波速省（LLSVPs），其横向和径向尺度可达上千公里。这些异常体的成因对理解地球内部结构与物质组成起着关键的作用，是地球科学研究的热点与前沿问题。
报告现场图
板块运动和俯冲是地球相较于其他行星独特的特点。板块可以俯冲至地球深部甚至核幔边界，将洋壳带至地幔深部，从而可能导致下地幔形成化学物质不均一性。王文忠博士的工作表明，俯冲至下地幔的洋壳物质具有明显不同于周围地幔的波速和密度，能够很好地解释地震学观测到的下地幔小尺度散射体和大尺度高速异常体，但不可能解释LLSVPs的低剪切波速。
下地幔的主要矿物为布里奇曼石，其体积占比约为80%，是下地幔铁的主要载体。前人研究发现岩浆中的Fe2+会歧化成Fe3+和铁单质，铁单质从早期岩浆分离进入地核会使早期下地幔富集Fe3+。王文忠、刘嘉超等人通过高温高压实验和第一性原理计算发现中度富Fe3+的布里奇曼石会分解成极度富Fe3+和贫Fe3+布立基曼石，这种新发现的富Fe3+布里奇曼石具有低波速、高泊松比和高密度。进一步计算结果表明，正常地幔富集5-15%的富Fe3+布里奇曼石可以很好解释有关LLSVPs的地震学观测结果，且地球动力学模拟显示这种不均一异常体可以在下地幔形成类似于LLSVPs的结构。
王文忠等认为富Fe3+布里奇曼石的形成是地球早期岩浆岩结晶演化的产物，在此基础上进一步解释前人发现的地球玄武岩与碳质球粒陨石之间的Fe同位素组成差异，指出如果地球玄武岩的Fe同位素组成可以代表整个地幔的Fe同位素组成，那么富Fe3+布里奇曼石的形成可能与地球玄武岩与陨石之间的差异有关，而高温高压下金属相-硅酸盐相分离可能并不会造成地幔和地核之间发生Fe同位素的分馏。
现场讨论：王文忠、刘耘
王文忠将第一性原理计算将地球物理与地球化学结合起来，从十分新颖的角度为下地幔的物质和结构异常提供了新的证据，报告深入浅出、风趣幽默，引起了大家的激烈讨论。参加报告的有我校行星中心的刘耘、张兆峰、孙新蕾等师生，物理系、地质学系、材化学院的部分老师以及四川大学的张友君副研究员，李春辉主持本次交流会。
据悉，王文忠博士2019获中国科学技术大学地球物理学博士学位，后在英国英国伦敦大学学院和卡耐基科学研究所地球和行星实验室从事博士后工作，主要从事理论计算工作，以第一作者或通讯作者在NC、EPSL和GCA等杂志发表文章10余篇。
相关论文：
Wang, W., Liu, J., Zhu, F. et al. Formation of large low shear velocity provinces through the decomposition of oxidized mantle. Nat Commun 12, 1911 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22185-1
Wang, W., Xu, Y., Sun, D. et al. Velocity and density characteristics of subducted oceanic crust and the origin of lower-mantle heterogeneities. Nat Commun 11, 64 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-019-13720-2
