地球内部碳的储存及循环对于理解地球内部的物质循环和能量转移有着重要的影响，同时也与地球的生命演化密切相关。俯冲带中的金刚石和含碳酸盐岩石中捕获的碳是地球表面和内部之间持续交换大量碳的重要证据。探索极端条件下（高温和高压）矿物、熔体和流体中碳的行为可以更好的理解地球内部碳的存在方式、运移行为和变化规律，同时也能为深部地震观测结果带来新的认识和证据。

CaC₂O₅是一种通过结构搜索及第一性原理模拟所发现的具有多种结构相的碳酸盐矿物，在高温高压条件下通过金刚石压腔（DAC）实验成功合成（CaCO₃ + CO₂）。人们研究发现CaC₂O₅可以在上地幔至核幔边界温度压力条件下稳定存在。虽然多种CaC₂O₅同质多相的晶体结构、电子性质和可能的相变已经被前人广泛报道，但是还没有统一的研究描述它们可能对地幔结构和物质组成、深部地震波速及对地球内部碳循环的影响。

针对上述问题，我校地球科学与资源学院博士研究生王翰宇在中国地震局地震预测研究所刘雷研究员和我校地球科学与资源学院毛世德教授的指导下，对6种稳定CaC₂O₅同质多相（以下简称CaC₂O₅s）的晶格参数、声子频率、电子性质和弹性性质进行了第一性原理计算，并结合CaC₂O₅s之间的相变条件和发生的反应，揭示了基于CaC₂O₅s地球内部碳循环模型，取得了以下创新性认识：

1、CaC₂O₅s是一组地震波速较低的低密度地幔矿物。CaC₂O₅-I 2d和CaC₂O₅-C2-l虽然有着不同的结构，但在密度、电子态密度、能带结构和地震波速上表现出几乎相同的性质（图1-3）。

2、CaC₂O₅-Cc相变为CaC₂O₅-I 2d（C2-l）时引起的地震波速变化与地幔转换带（MTZ）660 km深度处的波速异常一致，发生了密度和波速的突增，且增加幅度也十分接近，为660 km处MTZ的波速异常的起源提供了新的证据（图2和图4）；

3、CaC₂O₅-Fdd2在下地幔环境下相变为CaC₂O₅-Pc和CaC₂O₅-C2时，其剪切波波速V_S降低了7.4%，密度却反倒增加了5.8%，与大型剪切波低速省（LLSVPs）比周围地幔密度高，但横波波速更低的现象一致，表明了CaC₂O₅及其高压多态性可能是LLSVPs的成分之一（图2和图4）；

4、根据可能的反应生成式、相变边界及计算得到的数据，建立了基于CaC₂O₅s及其反应物和生成物的地球内部碳循环模型，描述了对地幔结构和物质组成可能存在的影响（图4）。

图1 CaC₂O₅s的电子性质。a为CaC₂O₅s在各自结构转换压力下的带隙；b、c分别为CaC₂O₅-C2-l 和 CaC₂O₅-I 2d在40 GPa条件下的能带结构和态密度。

图2 高压下CaC₂O₅s和几种下地幔矿物的密度对比

图3 高压下CaC₂O₅s的体积模量、剪切模量、剪切波波速和压缩波波速

图4 CaC₂O₅s、PREM模型和一些地幔矿物的剪切波速（V_S）和压缩波速（V_P）对比

图5 地幔内CaC₂O₅s示意图。描述了CaC₂O₅s的结构及其在地幔中可能的反应和反应环境

上述研究成果发表在Nature Communications上。第一作者为买球app网站（北京）和中国地震局地震预测研究所联合培养博士研究生王翰宇，中国地震局地震预测研究所刘雷研究员与我校毛世德教授为本文的共同通讯作者，合作者包括买球app网站（北京）和中国地震局地震预测研究所联合培养博士生杨龙星、中国地震局地震预测研究所硕士生高梓涵和那仁格日勒。该研究获得国家自然科学面上基金（42174115, 42330311, 42073056），中国地震局地震预测研究所基本科研业务基金（CEAIEF20230301）和地震动力学国家重点实验室开放基金（Project No. LED2021B02）的联合资助。具体论文信息如下：Wang, H., Liu, L.*, Gao, Z., Yang, L., Naren, G., Mao, S.* Structure and elasticity of CaC2O5 suggests carbonate contribution to the seismic anomalies of Earth’ s mantle. Nature Communications 15, 755 (2024)

全文链接：http://doi.org/10.1038/s41467-024-44925-9