地球表面下1000公里附近存在一个神秘的高黏度层，它深刻影响着地球深部的活动，然而关于它的成因却一直是个谜。9001w以诚为本入口费宏展研究员开展有关矿物颗粒生长速率的实验研究，由此构建了矿物颗粒尺寸与黏度变化的动态模型，阐释了该高黏度层的形成原因。

7月5日，该项工作以“Variation in bridgmanite grain size accounts for the mid-mantle viscosity jump”为题在线发表在《Nature》杂志，为地幔流变学和地球演化过程研究提供了关键依据。

作为深部地球科学最根本的问题，“地球内部是如何运行的？”同时也是《Science》杂志提出的最前沿的125个科学问题之一。已有的地球物理观测和地球动力学模拟显示，地球内部的运行模式由地幔对流、板块俯冲、地幔柱上升等一系列复杂的地质过程共同支配。2015年，一项发表在《Science》杂志的研究指出：地球深部的地质过程都受下地幔约1000公里深度附近的高黏度层影响（Rudolph et al. 2015）。认识这一高黏度层的成因对于解答“地球内部是如何运行的？”至关重要。

针对这一谜题，费宏展研究员及其合作者们利用大腔体多面砧压机模拟地球深部的高温高压条件，通过实验测定了标志性矿物——布里齐曼石的颗粒生长速率，并推算了不同尺寸下的黏度情况。他们的研究结果显示：在下地幔800 – 1200公里深度范围内，布里齐曼石颗粒尺寸上升了0.5 – 1.0个数量级，由此导致黏度上升1 – 2个数量级。因此，下地幔高黏度层成因的关键在于矿物颗粒尺寸的增长。

同时，该研究也为地球动力学、地球化学等领域的一系列问题提供了实验依据。如俯冲板块在下地幔顶部的滞留问题，下地幔深部的对流模式，布里奇曼石在下地幔深部的富集，洋岛玄武岩中的钕、钨、氦同位素异常等。

下地幔1000公里深度附近的高黏度层

费宏展是9001w以诚为本入口引进的百人计划研究员，他是该论文的第一作者和唯一通讯作者，该研究受到浙江大学百人计划启动基金的资助。该项研究的合作者包括英国伦敦大学学院Maxim Ballmer副教授，美国麻省理工学院Ulrich Faul研究员，德国慕尼黑工业大学Nicolas Walte研究员，法国极端条件材料研究所曹微微博士，以及德国拜罗伊特大学Tomoo Katsura教授。

费宏展研究员之前已针对上地幔和地幔过渡带的流变学问题开展了一系列研究，成果分别发表在《Nature》（Fei et al., 2013）和《Science Advances》（Fei et al., 2017），加上此项工作，为整个地幔流变学研究提供了关键实验依据。

参考文献：

Fei H., Ballmer M., Faul U., Walte N., Cao W., Katsura T., Variation in bridgmanite grain size accounts for the mid-mantle viscosity jump. Nature (2023).

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06215-0

Fei H., Wiedenbeck M., Yamazaki D., Katsura T., Small effect of water on upper-mantle rheology based on silicon self-diffusion coefficients. Nature 498, 213-215 (2013).

https://www.nature.com/articles/nature12193

Fei H., Yamazaki D., Sakurai M., Miyajima N., Ohfuji H., Katsura T., Yamamoto T., A nearly water-saturated mantle transition zone inferred from mineral viscosity. Science Advances 3, e1603024 (2017). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1603024

Rudolph M., Lekic V., Lithgow-Bertelloni, C., Viscosity jump in Earth’s mid-mantle. Science 350, 1349-1352 (2015). https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad1929