位于地幔過(guò)渡帶以下至核幔邊界的下地幔，是地球內(nèi)部體量最大的一個(gè)圈層，因而是地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、能量傳輸?shù)冗^(guò)程的關(guān)鍵一環(huán)。從一維地震學(xué)模型看，下地幔的波速、密度、彈性模量隨深度變化較為平滑，因而常常被認(rèn)為是地球深部相對(duì)"平淡"的區(qū)域。近年來(lái)，隨著金剛石壓腔、同步輻射高溫高壓技術(shù)、層析成像地震觀測(cè)技術(shù)以及基于量子力學(xué)的計(jì)算模擬技術(shù)等方面的共同發(fā)展，人們對(duì)下地幔的認(rèn)識(shí)正逐步深入。
下地幔的物質(zhì)成分是什么？這是長(zhǎng)期縈繞在人們腦海的科學(xué)問(wèn)題。而在沒(méi)有了解清楚下地幔溫壓條件下礦物特性的情況下，所有假設(shè)、推測(cè)都存在很大的不確定性。即便對(duì)于下地幔總體成分這樣的基礎(chǔ)問(wèn)題，人們依然爭(zhēng)論不休：下地幔的化學(xué)成分是否與上地幔一致？下地幔1600公里左右是否存在化學(xué)分異？等等。與此相聯(lián)系，諸如"如何解釋上地幔的硅元素相對(duì)地球總體成分缺失？"、"地幔對(duì)流是整體對(duì)流還是分層對(duì)流？"等地球化學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都受制于人們對(duì)物質(zhì)特性的理解程度。
地質(zhì)地球所地球深部結(jié)構(gòu)與過(guò)程研究室張志剛副研究員和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Lars Stixrude教授和John Brodholt教授合作，運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理模擬方法，針對(duì)下地幔礦物的熱力學(xué)和彈性性質(zhì)進(jìn)行了大規(guī)模計(jì)算，并建立了能同時(shí)預(yù)測(cè)礦物相組成和物性的熱力學(xué)模型。該研究表明：即使是下地幔最為主要的鎂鈣鈦礦，盡管前人已做過(guò)許多實(shí)驗(yàn)和理論模擬工作，其彈性數(shù)據(jù)依然存在很大的不確定度。一方面在同時(shí)高溫和高壓條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)就位測(cè)量波速仍然是世界級(jí)的難題，另一方面理論模擬方法本身的誤差還沒(méi)有系統(tǒng)討論過(guò)，而這些誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下地幔地震觀測(cè)模型的誤差，從而為準(zhǔn)確解釋地震數(shù)據(jù)、推測(cè)下地幔成分帶來(lái)困難。該研究提出一種修正密度泛函理論系統(tǒng)偏差的方法，內(nèi)在綜合考慮壓力、高溫非諧性效應(yīng)的影響，從而提高了模擬結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性；該研究發(fā)現(xiàn)鎂鈣鈦礦剪切波隨溫度下降的速度要低于前人估計(jì)，因而上地幔礦物學(xué)模型（pyrolite）可以很好地與一維地震學(xué)模型吻合（圖1）。該研究對(duì)回答下地幔相關(guān)科學(xué)問(wèn)題提供了重要約束。
該研究成果近期發(fā)表在國(guó)際知名地學(xué)期刊Earth and Planetary Science Letters（Zhang et al. Elastic properties of MgSiO3-perovskite under lower mantle conditions and the composition of the deep Earth. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 379: 1-12）。