地幔底部的矿物颗粒有多大？

在非洲和太平洋之下的极深处，在地幔底部，地震波会在两个巨大的区域中减速，这两个区域被称为大型低剪切波速省（LLSVP）。它们从核幔边界向上隆起超过1000千米，覆盖了核幔边界近四分之一的面积。它们究竟是温度更高、化学成分不同，还是两者兼而有之，目前仍有争议。地震波衰减研究暗示，它们由粗大的晶粒构成，周围则是晶粒较细的地幔。

候选成分之一是戴维毛矿（davemaoite），即具有钙钛矿结构的硅酸钙，它是下地幔中含量第三多的矿物：约占地幔岩石标准模型——地幔岩（pyrolite）——的10%，在俯冲的玄武岩中则可达25%。

百分之三十之谜

戴维毛矿很难研究。它无法被完整地带回地表——冷却时会改变结构，压力下降时又会变成玻璃态——因此其弹性必须在高温高压下测量。而在这方面，理论与实验数十年来一直存在分歧：量子计算预测的剪切模量比实测值高约30%。对大多数地幔矿物而言，两者都吻合得很好。

中国地质大学（武汉）、德国拜罗伊特大学和美国密歇根大学的Peiyu Zhang、Liang Yuan及其同事怀疑问题出在样品上。所有实验室测量都使用由玻璃制成的多晶体，其晶粒只有几十纳米大小——因此晶界非常多。这些晶界处的无序薄层或残留的玻璃，在X射线衍射中几乎显示不出来，却可能使材料变软。

数百万个原子

为了验证这一点，团队用覆盖0至100吉帕、0至6000开尔文的量子计算，训练了一个原子间作用力的机器学习模型，其精度足以模拟庞大的体系。他们首先检验了基本问题：在下地幔中，戴维毛矿平均而言是立方结构。一个由20480个原子构成的完美单晶，其剪切波速仍比实验值快10%以上——因此，模拟规模和邻近的相变都无法解释这一差距。

随后，他们构建了边长约30纳米的模拟盒，其中包含15、120或480个随机取向的晶粒，原子数多达340万，条件为50吉帕和2142开尔文。晶粒越细，无序部分所占比例越大：按体积计分别为1.8%、3.5%和5.8%。

少量无序，显著软化

从完美晶体到含480个晶粒的样品：

• 剪切模量下降了37%（从213降至136吉帕）；
• 体积模量仅下降了12%；
• 剪切波速降低了19.3%，压缩波速降低了10.6%。

因此，几个百分点的晶界无序就足以使理论与实验一致。在同一范围内，模拟的X射线图样几乎没有变化，这就是实验人员无法察觉它的原因。这种多晶体的表现就像物理定律所允许的最软的排列方式：它的刚度由一个相互连通的柔性晶界网络决定。

晶粒尺寸的下限

将软化后的戴维毛矿代入地幔岩石模型后，在富含玄武岩的物质中产生了类似LLSVP的特征：剪切波比地幔岩慢6.2%，压缩波仅慢1.9%。作者强调，这证明的是一种机制，而不是说地下深处真的存在如此细小的晶粒。

反过来看，这一关系提供了一个约束条件。无序部分所占比例大致等于晶界宽度（约1纳米）除以晶粒尺寸。为了保持LLSVP中观测到的较小的压缩波异常，这一比例必须保持在约1%以下，因此晶粒尺寸必须至少约为100纳米。这一下限与对流地幔中晶粒生长的模型相符，也与表明LLSVP晶粒粗大的地震学证据一致。

模拟使用的是纯硅酸钙，而天然戴维毛矿含有钠、钾、铁、铝和钛，而且模拟中的晶粒远小于真实地幔中的晶粒。团队提出了三种实验室途径——X射线全散射、拉曼成像以及晶界的纳米尺度化学成像——以便最终测量出，在一直以来决定这些数值的样品中，究竟隐藏着多少无序。