專家信息：

吳忠慶，男，1974年生于浙江義烏，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教授。

教育及工作經(jīng)歷：

1997年，獲四川大學(xué)水利水電工程系學(xué)士學(xué)位。

2000年，獲浙江大學(xué)物理系碩士學(xué)位。

2003年，獲清華大學(xué)物理系博士學(xué)位。

2003-2005年，獲清華大學(xué)高等研究中心博士后。

2005起先后在明尼蘇達(dá)大學(xué)化工材料系和南加州大學(xué)化工材料系博士后，用第一性原理計(jì)算研究材料在高溫高壓下的物性。 

研究方向：

1. 礦物的晶格動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。

2. 礦物的熱彈性性質(zhì)和聲速。

3. 相變、雜質(zhì)對(duì)礦物性質(zhì)的影響。

4. 平衡同位素分餾系數(shù)。 

承擔(dān)科研項(xiàng)目情況：

1. Elasticity of ferropericlase at lower mantle PT condition

Elasticity of ferropericlase at 300K (red), 1000K (yellow), 2000K (green), 3000K(blue), and 4000K(purple)

Wu Z., Justo J. F., Wentzcovitch R., “Elastic Anomalies in a Spin-Crossover System: Ferropericlase at Lower Mantle Condition”, Physical Review Letters, 110, 228501 (2013).

Ferropericlase is second abundant mineral at lower mantle. Iron atoms of ferropericlase, which has magnetic moment at ambient pressure, will lose magnetic moment at lower mantle pressure. This transition is called high spin to low spin transition. This study demonstrates that spin transition significantly reduces the bulk modulus but has not such effect on shear modulus because of cubic symmetry of ferropericlase. But if cubic symmetry of ferropericase is broken by non-hydrostatic pressure, spin transition also reduces the shear modulus. This can well explain the discrepancy on shear modulus between two previous experimental measurements. The extrapolation of the experimental shear velocity of ferropericlase to higher temperature and concentration by Murakami et al [2012] introduced large error. The lower mantle composition based on their extrapolation need to be readjusted. Spin transition occurs at broad depth of lower mantle. Its dramatic effect on the elastic modulus must significantly impact our understanding to Earth’s interior. The systematical high pressure and temperature elasticity of ferropericlase obtained by this study will be very useful for us to uncover more the mystery of Earth’s interior. 

Spin effect on other properties of ferropericlase has been discussed in Wu et al (2009) and Wentzcovitch et al (2009). Spin transition of ferropericlase on mantle convection has been discussed in Shahnas et al (2011). 

2. An analytical approach for thermal elasticity of crystals

Elasticity of ferropericlase of forsterite

Wu Z., and Wentzcovitch, R. M, “Quasiharmonic thermal elasticity of crystals: An analytical approach”, Physical Review B, 83, 184115 (2011).

Thermal elastic properties of crystals are defined from second-order derivatives of free energies with respect to strain. In general, this will require calculating free energy under strain. These are exceedingly demanding computations requiring up to ∼103 parallel jobs running on tens or more processors each. Here, we developed an analytical formula to describe second-order derivatives of free energies with respect to strain. This approach decreases the computational effort, i.e., CPU time and human labor, by up to two orders of magnitude because the approach avoids calculating phonon density of states under strain. Results for the major mantle phases periclase (MgO) and forsterite (α-Mg2SiO4) show excellent agreement with previous first-principles results and experimental data. 

The approach has been used to calculated the elasticity of olivine, wadsleyite (Valdez et al GRL 2013), ringwoodite (Valdez et al EPSL 2012), and ferropericlase (Wu et al PRL 2013). 

3. A first principles-based method for anharmonic free energy

Thermal expansion of diamond with (purple) and without (green) anharmonic correction.

Wu Z., “Calculating the anharmonic free energy from first principles”, Physical Review B, 81, 172301 (2010). Wu Z., and Wentzcovitch, R. M, “Effective semiempirical ansatz for computing anharmonic free energies”, Physical Review B, 79, 104304 (2009).

We developed a method to compute anharmonic free energy neglected in quasiharmonic calculations by introducing parametrized temperature-dependent modification of the vibrational density of states. The introduced parameter is a constant and can be calculated through a first-principles molecular-dynamics simulation. The thermodynamics properties of forsterite,periclase, and diamond improve considerably after inclusion of anharmonic effects. 

The method has been used to develop the precise high temperature pressure standard of MgO (Wu et al JGR 2009).

4. Equilibrium fractionation factors of Mg among major upper mantle minerals

Application of clinopyroxene–garnet Mg isotope thermometry to estimating equilibrium temperature of eclogites. 

Huang F., Chen L., Wu Z., Wang W., “First-principles calculations of equilibrium Mg isotope fractionations between garnet, clinopyroxene, orthopyroxene, and olivine: implications for Mg isotope thermometry”, Earth and Planet Science Letters, 367 61-70,2013.

Equilibrium fractionation factors of Mg isotopes at high temperature and pressure are investigated for pyrope,majorite,clinopyroxene,orthopyroxene,andolivine using density functional theory. The results reveal significant inter- mineral Mg isotope fractionations due to different coordination environment of Mg in minerals. Specifically,pyrope,where Mg is in eight-fold coordination,is more enriched in light Mg isotopes than olivine and pyroxene where Mg is in six-fold coordination.The calculated isotope fractionation for Mg isotopes between clinopyroxene and pyrope is consistent with observations from natural eclogites (Li etal.,2011; Wang etal.,2012). Our calculation also reveals substantial pressure effect onMg isotope fractionations among garnet,pyroxene,and olivine. Equilibrium fractionation of Mg isotopes between pyrope and pyroxene(and olivine) could be used as a novel and independent thermometry with precision much better than the traditional garnet– clinopyroxene Fe Mg exchange thermometry because such fractionation is significantly greater than the current uncertainties of Mg isotope analyses. These Mg isotope thermometries could have wide applications in high-temperature mafic igneous and metamorphic rocks where garnet co-exists with pyroxene or olivine. 

科研成果：

1. 發(fā)現(xiàn)調(diào)制的鎬鈦酸鉛超晶格會(huì)出現(xiàn)具有優(yōu)越鐵電性能的新相；在超薄的鐵電薄膜中偶極子會(huì)形成清晰的蝸旋結(jié)構(gòu)的條文疇，這些發(fā)現(xiàn)幫助理解了薄膜的鐵電臨界尺寸效應(yīng)、疇結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)下不同尋常的反應(yīng)特性。

2. 利用第一性原理計(jì)算所得的MgO狀態(tài)方程與超高壓沖擊波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常符合的特點(diǎn)，提出了一個(gè)MgO高溫高壓絕對(duì)壓標(biāo)，并在2010年被基于絕對(duì)壓標(biāo)方法的實(shí)驗(yàn)全面驗(yàn)證，為解決高壓實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)不一致的問題邁出了關(guān)鍵一步。發(fā)展了兩個(gè)方法：第一個(gè)是第一性的計(jì)算非諧自由能方法，成倍的增加結(jié)果的適用溫度范圍；第二個(gè)是彈性常數(shù)的第一性原理計(jì)算新方法，其計(jì)算量不到常規(guī)的方法的十分之一，同時(shí)不降低計(jì)算精度，為計(jì)算眾多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦物的彈性奠定了基礎(chǔ)。這些有特色的研究，為吳忠慶教授在科研道路上的攀登鋪就了牢固的基石。

3. 鐵方鎂石是下地幔主要礦物之一，其所含鐵的原子磁距如何隨深度變化，以及進(jìn)一步如何影響地幔特性是地球科學(xué)的一個(gè)基本問題。2003年首次在該礦物觀測(cè)到鐵的自旋轉(zhuǎn)變掀起了這個(gè)轉(zhuǎn)變對(duì)礦物物性特別是彈性影響的研究熱潮。吳忠慶教授首次獲得了整個(gè)地幔溫度和壓強(qiáng)下的鐵方鎂石彈性，從理論上指出鐵方鎂石的立方對(duì)稱性決定了鐵自旋轉(zhuǎn)變只會(huì)顯著降低體模量、對(duì)剪切模量沒有類似的效果。但在高壓實(shí)驗(yàn)極可能出現(xiàn)的偏壓會(huì)破壞鐵方鎂石的立方對(duì)稱性，從而導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到剪切模量的反常降低，這很好地解釋了發(fā)表在《科學(xué)》雜志上不同工作間的分歧。在與地幔波速比較來限定地幔的成分時(shí)，通常需要將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的礦物波速數(shù)據(jù)往高溫高壓進(jìn)行大范圍的外推，2012年Murakami等人借助于這種外推在《自然》雜志發(fā)文稱下地幔主要是鈣鈦礦組成的，與以往高溫高壓研究所得的結(jié)論完全不同，吳忠慶教授通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)Murakami等人的外推顯著低估了鐵方鎂石橫波波速，他們關(guān)于下地幔的成分結(jié)論是不可靠的。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，《科學(xué)》雜志在編輯特選欄目以《Spinning Iron in the Mantle》為題介紹了該工作。

4. 利用新發(fā)展的彈性方法研究各種礦物的彈性，包括上面自旋轉(zhuǎn)變方面的工作，其它關(guān)于不同鐵含量下的橄欖石及其高壓相的彈性特性已經(jīng)分別發(fā)表在2012年的《地球和行星科學(xué)快報(bào)》和2013年的《地球物理研究快報(bào)》雜志上。

5. 第一性原理計(jì)算同位素平衡分餾方面的工作中，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)、相變等可以顯著影響礦物間Mg、Si同位素分餾特性，揭示輝石和石榴子石之間大的Mg平衡同位素分餾方面，并據(jù)此建立的一個(gè)Mg同位素地質(zhì)溫度計(jì)，上下地幔的主要礦物之間有很大的平衡Si同位素分餾，上下地幔的Si同位素組成因此很可能是不均一的，從而影響地核中Si含量的估計(jì)，這些工作分別發(fā)表在《地球和行星科學(xué)快報(bào)》和《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報(bào)》上。 

論文專著：

已在PNAS，JGR，PRB等雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。

代表性論文：

1. Wu, Z., Huang, F., Huang, S., "Isotope fractionation induced by phase transformation: First-principles investigation for Mg2SiO4", Earth and Planetary Science Letters, 409, 339-347, 2015.

2. Wu, Z., "themodynamic properties of wadsleyite with anharmonic effect", Earthquake science, in press.

3. Feng, C., Qin, T., Huang, S., Wu, Z., Fang Huang, "First-principles investigations of equilibrium calcium isotope fractionation between clinopyroxene and Ca-doped orthopyroxene", Geochimica et Cosmochimica Acta (2014).

4. Huang, F., Wu, Z., Shichun Huang, and Fei Wu. "First-principles calculations of equilibrium silicon isotope fractionation among mantle minerals", Geochimica et Cosmochimica Acta, 140 509-520, 2014.

5. Wu, Z., and Renata M. Wentzcovitch. "Spin crossover in ferropericlase and velocity heterogeneities in the lower mantle", Proceedings of the National Academy of Sciences 111, no.29 (2014): 10468-10472.(This work is highlighted by Science)

6. Rui Yang, Wu, Z.. "Elastic properties of stishovite and the CaCl2-type silica at the mantle temperature and pressure: An ab initio investigation", Earth and Planetary Science Letters, Volume 404, 15 October 2014, Pages 14-21, ISSN 0012-821X.

7. Wu Z., Justo J. F., Wentzcovitch R., "Elastic Anomalies in a Spin-Crossover System: Ferropericlase at Lower Mantle Condition", Physical Review Letters, 110, 228501 (2013). (This work is highlighted by Science)

8. Huang F., Chen L., Wu, Z., Wang W., "First-principles calculations of equilibrium Mg isotope fractionations between garnet, clinopyroxene, orthopyroxene, and olivine: implications for Mg isotope thermometry", Earth and Planet Science Letters, 367 61-70,

9. Valdez, M., Wu, Z., Yu, Y., Wentzcovitch, R. "Thermal elasticity of (Fex,Mg1-x)2SiO4 olivine and wadsleyite", Geophysical research letters, 40 290-294,2013. 

10. Valdez, M., Wu, Z., Yu, Y., Revenaugh, J., Wentzcovitch, R. "Thermoelastic properties of ringwoodite (Fex,Mg1-x)2SiO4: Its relationship to the 520 km seismic discontinuity", Earth and Planet Science Letters, 351 115-122, 2012. 

11. Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M，Quasiharmonic thermal elasticity of crystals: An analytical approach", Physical Review B, 83, 184115 (2011).

12. Wu, Z., Nakano, A., Kalia, R. K., and Vashishta, P.," Vibrational and thermodynamic properties of β- HMX: a first-principles investigation", Journal of Chemical Physics, 134, 204509 (2011).

13. Wu, Z, Vashishta, P., Kalia, R., and Nakano, A., "First-principles calculations of the structural and dynamic properties, and the equation of state of crystalline iodine oxides I2O4, I2O5, and I2O6", Journal of Chemical Physics, 134, 204501 (2011).

14. Shahnas M. H.; Peltier W. R.; Wu, Z, and Wentzcovitch R M, "The high-pressure electronic spin transition in iron: Potential impacts upon mantle mixing", Journal of Geophysical Research，116, B08205,(2011). 

15. Wu, Z., "Calculating the anharmonic free energy from first principles",Physical Review B, 81, 172301 (2010).

16. Wentzcovitch, R. M., Yu, Y., and Wu, Z., (2010) "Thermodynamic Properties and Phase Relations in Mantle Minerals Investigated by First Principles Quasiharmonic Theory", Rev. Mineral. Geochem. 71,59-98.

17. Wentzcovitch, R. M., Yu, Y., and Wu, Z. "First Principles Quasiharmonic Thermoelasticity of Mantle Minerals", Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 71 59,

18. Hsu, H., Umemoto, K., Wu, Z., Wentzcovitch, R. M., "Spin-State Crossover of Iron in Lower-Mantle Minerals: Results of DFT plus U Investigations", Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 71 169, 2010.

19. Shimojo, F., Wu, Z., Nakano, A.,Kalia, RK., and Vashishta P.,"Density functional study of 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine molecular crystal with van der Waals interactions", Journal of Chemical Physics 132, 094106: 1-8, 2010 

20. Wu, Z., Justo, J. F., da Silva, C. R. S., de Gironcoli, S., and Wentzcovitch, R. M, "Anomalous thermodynamics properties of ferropericlase throughout its spin crossover transition", Physical Review B, 80, 014409 (2009).

21. Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M, Effective semiempirical ansatz for computing anharmonic free energies", Physical Review B, 79, 104304 (2009).

22. Wentzcovitch, R. M., Justo, J. F., Wu, Z., da Silva, C. R. S., Yuen, D. A., and Kohlstedt D.," Anomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossover", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106:8447-8452 (2009). 

23. Yu, Y., Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M.,"α to β to γ transformations in MgSiO4 in Earth's transition zone", Earth and Planet Science Letters, 273,115-122 (2008)

24. Wu, Z., Wentzcovitch, R.M., Umemoto, K., Li, B., Hirose, K., and J. Zheng, "PVT relations in MgO: an ultra-high PT scale for planetary sciences applications" Journal of Geophysical Research,113, B06204 (2008)

25. Sun, T., Umemoto, K., Wu, Z., Zheng J-C, and Wentzcovitch, R. M., "Lattice Dynamics and Thermal Equation of State of Platinum", Physical review B, 78, 024304 (2008)

26. Yu J., Wu, Z., Liu ZR, Yan QM, Wu J, Duan WH, "Phase diagram of ferroelectric BaTiO3 ultrathin films under open-circuit conditions", Journal of Physics-Condensed Matter, 20 135203(2008). 

27. Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M., "Vibrational and thermodynamic properties of wadsleyite: a density functional study", Journal of Geophysical Research, 112, B12202 (2007)

28. Wu, Z., Duan WH, Huang ND, Wu J, and Gu BL, "Self-organization nanodomain structure in ferroelectric ultrathin films", Nanotechnology 18,325703(2007)

29. Wu, Z., Huang ND, Liu ZR, Duan WH, Wu J, and Gu BL, "Unusual vortex structure in ultrathin Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 films", Journal of Applied Physsics 101,014112(2007). 

30. Wu, Z., Huang ND, Duan WH, Wu J, and Gu BL, "The phase diagram of ultrathin Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 films under strain," Applied Physics Letters 86, 202903(2005).

31. Wu, Z., Duan WH, Wu J, Gu BL, and Zhang XW, "Dielectric properties of relaxor ferroelectric films," Journal of Applied Physics 98, 094105(2005).

32. Wu, Z., Huang ND, Liu ZR, Duan WH, Wu J, Gu BL and Zhang XW, "Ferroelectricity in Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 thin films: critical thickness and 180o stripe domain," Physical Review B 70, 104108 (2004).

33. Huang ND, Liu ZR, Wu, Z., Duan WH, Gu BL and Zhang XW, "Huge enhancement of electromechanical responses in compositionally modulated Pb(Zr1-xTix)O3," Physical Review Letters 91, 067602 (2003).

34. Wu, Z., Duan WH, Wang Y, Gu BL and Zhang XW, "Effect of defect-induced internal field on the aging of relaxors," Physical Review B 67, 052101 (2003).

35. Wu, Z., Duan WH, Liu ZR, Gu BL and Zhang XW, "Effect of tunneling frequency on relaxor behavior," Microelectric Engineering 66: 676-682 (2003).

36. Wu, Z., Duan WH, Liu ZR, Gu BL and Zhang XW, "Multiple tunneling channels order-disorder ferroelectric model and field-induced phase transition in relaxors," Physical Review B 65, 174119 (2002).

37. Wu, Z. and Zhang XJ, "Charge fluctuations in cuprate superconductors," arxiv: cond-mat/0210455.

38. Wu, Z., Liu ZR, and Gu BL, "Order-Disorder phase transition and dielectric mechanism in relaxor ferroelectrics," Tsinghua Science and Technology 6, 97-108 (2001).

榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)：

資料更新中……

Phy.Rev.Lett.發(fā)表了我們組關(guān)于“自旋轉(zhuǎn)變下鐵鐵方鎂石高溫高壓下彈性”的工作，
Science 在編輯特選欄目以"Spinning Iron in the Mantle"為題介紹了該工作。

 日前，我校地球和空間科學(xué)學(xué)院地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室吳忠慶教授與來自美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員合作，利用第一性原理計(jì)算研究了高溫高壓下鐵自旋 轉(zhuǎn)變對(duì)鐵方鎂石高溫高壓彈性的影響，解釋了不同實(shí)驗(yàn)在自旋轉(zhuǎn)變對(duì)橫波波速影響存在分歧的成因，指出Murakami 等人［Nature 485，90（2012）］外延的鐵方鎂石橫波波速數(shù)據(jù) 存在極大的誤差，由此得出的下地幔主要是鈣鈦礦的結(jié)論是不可靠的。這些系統(tǒng)完整的鐵方鎂石高溫高壓彈性數(shù)據(jù)為我們進(jìn)一步利用自旋轉(zhuǎn)變效應(yīng)限定地球內(nèi)部成分提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。研究結(jié)果近期發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett. 110, 228501 (2013)）上，Science雜志在編輯特選欄目以“Spinning Iron in the Mantle”為題介紹了該工作。

地幔中含有大量的鐵，這些鐵原子的磁矩在高壓下是否會(huì)發(fā)生改變，以及這種改變對(duì)礦物性質(zhì)會(huì)帶來怎么樣的影響，一直是地球科學(xué)研究領(lǐng)域的基本問題。2003和2004年，Badro等人從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到下地幔兩大主要礦物——鈣鈦礦和鐵方鎂石——中的鐵都會(huì)在下地幔的壓強(qiáng)下經(jīng)歷高自旋到低自旋的轉(zhuǎn)變，掀起了自旋轉(zhuǎn)變對(duì)礦物特性包括彈性影響的研究熱潮。吳忠慶教授和合作者用第一性原理計(jì)算研究了自旋轉(zhuǎn)變對(duì)彈性的影響。第一性原理計(jì)算是一個(gè)解量子力學(xué)方程的方法，它無須引入任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，較易實(shí)現(xiàn)高溫高壓條件且所得的結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)可以媲美，已成為獲得礦物高溫高壓物性的重要方法。理論分析顯示，自旋轉(zhuǎn)變會(huì)顯著降低縱波波速，但類似的現(xiàn)象不會(huì)在橫波中發(fā)生，這是由鐵方鎂石的立方對(duì)稱性決定的。但靜壓環(huán)境很難完全在高壓實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，偏壓會(huì)破壞鐵方鎂石的立方對(duì)稱性，從而出現(xiàn)橫波波速的反常降低。這很好地解釋了不同實(shí)驗(yàn)觀察到橫波波速行為的分歧，也跟這些實(shí)驗(yàn)所采用的傳壓媒質(zhì)維持靜壓條件的能力一致。

通過比較各種礦物在地幔溫壓條件下的波速和地球深部的波速可以最直接有效的限定地幔的組分。然而，受限于高壓高溫等實(shí)驗(yàn)條件，相關(guān)礦物在地幔溫度和壓強(qiáng)條件下的物性的測(cè)量數(shù)據(jù)非常很有限，必須將這些有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行外延才能討論下地幔的成分等關(guān)鍵問題。2012年，Murakami 等人借助這種外延得出了下地幔主要是鈣鈦礦組成的結(jié)論(>93%)，與以往高溫高壓研究所得的結(jié)論（地幔巖，~80%鈣鈦礦）完全不同。避免外延的的一個(gè)有效方法是利用第一性原理計(jì)算。吳忠慶教授和合作者用第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)Murakami 等人的外延數(shù)據(jù)有問題。因?yàn)橛?jì)算的結(jié)果跟所有測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都能很好符合，但Murakami 等人的外延鐵方鎂石橫波波速則普遍比計(jì)算的結(jié)果要小9%。計(jì)算結(jié)果表明地幔巖（pyrolite模型）是下地幔很好的組分模型，結(jié)果說明直接測(cè)量地幔對(duì)應(yīng)的溫度壓強(qiáng)和成分條件下的物性以避免外延的必要性和迫切性。

本研究課題是在美國(guó)自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及中科院外國(guó)專家局“創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國(guó)際合作伙伴計(jì)劃”的資助下完成的。

來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室
 

中國(guó)科大研究揭示地幔中部結(jié)構(gòu)成因

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室吳忠慶教授合作研究揭示，下地幔礦物中鐵的自旋轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致地幔中部的縱波波速對(duì)溫度變化不敏感，解釋了多個(gè)地震層析成像觀測(cè)到的不尋常波速結(jié)構(gòu)的成因，從而為利用自旋轉(zhuǎn)變效應(yīng)認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)打開了一扇門。工作發(fā)表在近期的《美國(guó)科學(xué)院院刊》上，《科學(xué)》雜志的編輯特選欄目以“Ample explanation for seismic variation”為題介紹了該工作。這是繼2013年吳忠慶教授等人在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表自旋轉(zhuǎn)變對(duì)鐵方鎂石彈性不尋常的影響的工作后的又一個(gè)重要進(jìn)展。

自旋轉(zhuǎn)變下熱異常產(chǎn)生的P波波速結(jié)構(gòu)示意圖

鐵方鎂石中的鐵從有磁矩的高自旋態(tài)轉(zhuǎn)變到?jīng)]有磁矩的低自旋態(tài)會(huì)顯著降其波速，但不同于其它礦物相變有一個(gè)明顯的波速間斷面，鐵方鎂石中的鐵是逐漸從高自旋態(tài)過渡到低自旋態(tài)，是一個(gè)平滑的相變，這導(dǎo)致利用地震學(xué)手段探測(cè)該轉(zhuǎn)變的努力沒有成功，該轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是地震學(xué)不可見的。吳教授仔細(xì)分析了自旋轉(zhuǎn)變下的彈性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)變可在地震層析成像圖中留下可觀測(cè)的多個(gè)特征，例如它會(huì)導(dǎo)致縱波波速在~1750公里深度對(duì)溫度變化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱會(huì)在~1750公里深度中斷，這樣的現(xiàn)象已經(jīng)在夏威夷等地多個(gè)熱點(diǎn)下的地幔柱縱波成像圖中觀測(cè)到，但一直沒有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔邊界的熱物質(zhì)上涌流，穿越整個(gè)地幔到達(dá)巖石圈底部，是板塊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一，能夠解釋地表熱點(diǎn)軌跡，大火成巖省形成等眾多地質(zhì)觀測(cè)現(xiàn)象，因此直接證實(shí)地幔柱是地球科學(xué)非常重要的一個(gè)課題，利用熱物質(zhì)波速慢的特點(diǎn)，地震學(xué)成像是目前觀測(cè)地幔柱主要手段。但實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)多個(gè)地幔柱在～1750公里深度波速并沒有明顯變慢，既上涌熱物質(zhì)在這個(gè)深度左右突然變的不熱，這很難理解也跟地幔柱的整個(gè)概念有沖突，而吳教授的研究結(jié)果表明上涌物質(zhì)其實(shí)還是熱的，只不過自旋轉(zhuǎn)變下縱波波速在這個(gè)深度對(duì)溫度變化不敏感，給人溫度不高的錯(cuò)覺（圖1），吳教授的工作給地幔柱模型強(qiáng)有力的支持。由于找到了識(shí)別自旋轉(zhuǎn)變的特征，可以預(yù)期自旋轉(zhuǎn)變一定會(huì)象橄欖石系列相變、后鈣鈦礦相變一樣有力地促進(jìn)了我們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

吳忠慶教授系列關(guān)于自旋轉(zhuǎn)變的工作受到中國(guó)自然科學(xué)基金、973計(jì)劃、中科院海外創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等基金的支持，并應(yīng)邀在AOGS2014, AGU做邀請(qǐng)報(bào)告。

來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng) 2014-08-05

探秘地球深處

——記中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授 

電影《地心歷險(xiǎn)記》講述了一位地質(zhì)學(xué)家深信地底另有世界，于是與侄兒前往冰島，從火山口潛入地心，體驗(yàn)了地下不為人知的幻妙世界。回到現(xiàn)實(shí)，我們所生活的地球內(nèi)部究竟是怎樣的？

科學(xué)發(fā)展到今天，人們能上“九天攬?jiān)?rdquo;卻仍然“入地?zé)o門”。因?yàn)槟鞘且粋�(gè)復(fù)雜的高溫高壓系統(tǒng)，地球核心的壓力約360Pa，溫度超過5000℃，研究物質(zhì)在高溫高壓下物性因此也就成為探索地球深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律的關(guān)鍵一環(huán)。從全球范圍來看，高壓科研仍處于萌芽階段，中國(guó)起步更晚。正是在這一需求下，吳忠慶教授作為計(jì)算研究礦物高溫高壓物性的海外杰出人才被引進(jìn)回國(guó)。 

初嘗科研快樂 

吳忠慶教授1997年畢業(yè)于四川大學(xué)水利水電工程系獲學(xué)士學(xué)位，源于發(fā)自心底對(duì)物理的興趣，同年考入浙江大學(xué)物理系攻讀碩士學(xué)位，在這里受到高溫超導(dǎo)研究的耳濡目染，重新思考高溫超導(dǎo)體中的空穴配對(duì)的概念，提出新觀點(diǎn)解釋高溫超導(dǎo)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初嘗獲得新發(fā)現(xiàn)的快樂，感受到科學(xué)研究迷人的魅力。自此，也堅(jiān)定了從事科學(xué)研究的決心。

2000年，吳忠慶考入清華大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位，在顧秉林院士和段文輝教授組從事鐵電材料特性的計(jì)算研究。在寬松、自由、活躍的學(xué)術(shù)氛圍下，他發(fā)現(xiàn)調(diào)制的鎬鈦酸鉛超晶格會(huì)出現(xiàn)具有優(yōu)越鐵電性能的新相；在超薄的鐵電薄膜中偶極子會(huì)形成清晰的蝸旋結(jié)構(gòu)的條文疇，這些發(fā)現(xiàn)幫助理解了薄膜的鐵電臨界尺寸效應(yīng)、疇結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)下不同尋常的反應(yīng)特性。

盡管當(dāng)時(shí)吳忠慶教授在鐵電方面研究工作取得了可喜的成果，但他卻不安于現(xiàn)狀，在導(dǎo)師顧秉林院士和段文輝教授的鼓勵(lì)下，決定出國(guó)留學(xué)，開拓視野、拓寬研究領(lǐng)域。

探索高溫高壓下的礦物物性 

2005年6月，吳忠慶教授來到美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)化工材料系進(jìn)行博士后研究，開始從事第一性原理計(jì)算研究礦物高溫高壓下的物性。合作導(dǎo)師Renata Wentzcovitch教授是第一性原理計(jì)算研究礦物高溫高壓物性領(lǐng)域的杰出學(xué)者，近些年來領(lǐng)導(dǎo)的課題組在礦物物理領(lǐng)域的兩大進(jìn)展——后鈣鈦礦相變和鐵的自旋轉(zhuǎn)變中做出了重要貢獻(xiàn)。其中，計(jì)算礦物彈性更是她領(lǐng)導(dǎo)的研究組的一大特點(diǎn)。

吳忠慶教授介紹說，諸如層析成像等地震學(xué)反演是他們獲得地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段，但要解讀所得的波速結(jié)果需要他們對(duì)眾多礦物在地球內(nèi)部溫壓下的性質(zhì)有系統(tǒng)的了解，比較礦物聚合體在高溫高壓下的波速與地球內(nèi)部波速是最直接限定地球內(nèi)部成分的方法。礦物高溫高壓下的物性特別是彈性特性，因此是礦物物理學(xué)的核心內(nèi)容。與高壓實(shí)驗(yàn)相比，第一性原理計(jì)算可以容易地實(shí)現(xiàn)高溫高壓條件，所得結(jié)果可以跟實(shí)驗(yàn)媲美，在研究中扮演越來越重要的角色。

在國(guó)外，吳忠慶教授在該領(lǐng)域取得多個(gè)重要成果：例如，利用第一性原理計(jì)算所得的MgO狀態(tài)方程與超高壓沖擊波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常符合的特點(diǎn)，提出了一個(gè)MgO高溫高壓絕對(duì)壓標(biāo)，并在2010年被基于絕對(duì)壓標(biāo)方法的實(shí)驗(yàn)全面驗(yàn)證，為解決高壓實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)不一致的問題邁出了關(guān)鍵一步。發(fā)展了兩個(gè)方法：第一個(gè)是第一性的計(jì)算非諧自由能方法，成倍的增加結(jié)果的適用溫度范圍；第二個(gè)是彈性常數(shù)的第一性原理計(jì)算新方法，其計(jì)算量不到常規(guī)的方法的十分之一，同時(shí)不降低計(jì)算精度，為計(jì)算眾多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦物的彈性奠定了基礎(chǔ)。這些有特色的研究，為吳忠慶教授在科研道路上的攀登鋪就了牢固的基石。 

回國(guó)后再次起航 

鑒于國(guó)內(nèi)高溫高壓礦物物性研究是一個(gè)相對(duì)比較薄弱的領(lǐng)域，但同時(shí)又是地球科學(xué)非常重要的一個(gè)方向，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院陳曉非院長(zhǎng)力主在2010年引進(jìn)吳忠慶教授。在學(xué)校和學(xué)院的大力支持下，他圍繞深化地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)這個(gè)主題開展研究，在幾年時(shí)間里在該領(lǐng)域做出了多個(gè)有影響的成果，為迅速提升我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際影響力打下了一個(gè)好的開局。

鐵方鎂石是下地幔主要礦物之一，其所含鐵的原子磁距如何隨深度變化，以及進(jìn)一步如何影響地幔特性是地球科學(xué)的一個(gè)基本問題。2003年首次在該礦物觀測(cè)到鐵的自旋轉(zhuǎn)變掀起了這個(gè)轉(zhuǎn)變對(duì)礦物物性特別是彈性影響的研究熱潮。吳忠慶教授首次獲得了整個(gè)地幔溫度和壓強(qiáng)下的鐵方鎂石彈性，從理論上指出鐵方鎂石的立方對(duì)稱性決定了鐵自旋轉(zhuǎn)變只會(huì)顯著降低體模量、對(duì)剪切模量沒有類似的效果。但在高壓實(shí)驗(yàn)極可能出現(xiàn)的偏壓會(huì)破壞鐵方鎂石的立方對(duì)稱性，從而導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到剪切模量的反常降低，這很好地解釋了發(fā)表在《科學(xué)》雜志上不同工作間的分歧。在與地幔波速比較來限定地幔的成分時(shí)，通常需要將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的礦物波速數(shù)據(jù)往高溫高壓進(jìn)行大范圍的外推，2012年Murakami等人借助于這種外推在《自然》雜志發(fā)文稱下地幔主要是鈣鈦礦組成的，與以往高溫高壓研究所得的結(jié)論完全不同，吳忠慶教授通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)Murakami等人的外推顯著低估了鐵方鎂石橫波波速，他們關(guān)于下地幔的成分結(jié)論是不可靠的。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，《科學(xué)》雜志在編輯特選欄目以《Spinning Iron in the Mantle》為題介紹了該工作。

鐵方鎂石的鐵自旋轉(zhuǎn)變是一個(gè)漸變的過程，不會(huì)導(dǎo)致波速跳變，因此似乎是地震學(xué)不可見的，吳忠慶教授通過分析鐵方鎂石彈性數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鐵的自旋轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的效果完全可以通過層析成像等手段觀測(cè)到，例如它會(huì)導(dǎo)致P波波速在～1750公里深度對(duì)溫度變化不敏感，起源于深部的地幔柱在該深度“斷開”，這樣的現(xiàn)象已經(jīng)在多個(gè)層析成像結(jié)果中出現(xiàn)，但一直沒有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔邊界的熱物質(zhì)上涌流，穿越整個(gè)地幔到達(dá)巖石圈底部，是板塊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一，能夠解釋地表熱點(diǎn)軌跡，大火成巖省形成等眾多地質(zhì)觀測(cè)現(xiàn)象，因此直接證實(shí)地幔柱是地球科學(xué)非常重要的一個(gè)課題，地震學(xué)成像是目前觀測(cè)地幔柱主要手段，利用了熱物質(zhì)波速慢的特點(diǎn)。但實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)多個(gè)地幔柱在～1750公里深度波速并沒有明顯變慢，既上涌熱物質(zhì)在這個(gè)深度左右突然變的不熱，這是很難理解的，也跟地幔柱的整個(gè)概念有沖突，而吳忠慶教授的研究結(jié)果表明上涌物質(zhì)在該深度其實(shí)還是熱的，只不過由于鐵自旋轉(zhuǎn)變，P波波速在這個(gè)深度對(duì)溫度變化不敏感，在P波圖像上感受不到高溫。吳教授的工作給地幔柱模型強(qiáng)有力的支持。可以預(yù)期自旋轉(zhuǎn)變一定會(huì)象橄欖石系列相變、后鈣鈦礦相變一樣有力地促進(jìn)了我們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》。

吳忠慶教授的研究工作重點(diǎn)主要是兩大方面。一是利用新發(fā)展的彈性方法研究各種礦物的彈性，這包括上面自旋轉(zhuǎn)變方面的工作，其它關(guān)于不同鐵含量下的橄欖石及其高壓相的彈性特性已經(jīng)分別發(fā)表在2012年的《地球和行星科學(xué)快報(bào)》和2013年的《地球物理研究快報(bào)》雜志上。另一個(gè)是第一性原理計(jì)算同位素平衡分餾方面的工作，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)、相變等可以顯著影響礦物間Mg、Si同位素分餾特性，揭示輝石和石榴子石之間大的Mg平衡同位素分餾方面，并據(jù)此建立的一個(gè)Mg同位素地質(zhì)溫度計(jì)，上下地幔的主要礦物之間有很大的平衡Si同位素分餾，上下地幔的Si同位素組成因此很可能是不均一的，從而影響地核中Si含量的估計(jì)，這些工作分別發(fā)表在《地球和行星科學(xué)快報(bào)》和《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報(bào)》上。

地球科學(xué)是一個(gè)交叉性特別強(qiáng)的學(xué)科，吳忠慶教授在研究中非常關(guān)注這一特點(diǎn)，在中科大地空學(xué)院自由的學(xué)術(shù)氛圍中積極地開展各種合作。

在認(rèn)識(shí)自然界的過程中，充滿各種挑戰(zhàn)和困難；在探秘地球深處的過程中，充滿無限拓新和神奇，而這些探索對(duì)地球形成與演化規(guī)律、開發(fā)地球資源及減輕自然災(zāi)害（如地震等）是有著重要意義的。我們期待吳忠慶教授在探索未知的路上有更多發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展！

來源：科學(xué)中國(guó)人 2014年第8期