地球內部的物質組成和地震波速結構特征是地球科學研究的熱點，是探索和了解地球內部構造活動和地震活動等各動力學過程的重要基礎。目前對地球內部波速結構特征的第一手資料一般來自地震學的觀測，合理解釋地震學觀測結果需要了解地球內部物質高壓下的密度和彈性等性質演化特征。

CaC₂O₅是一種新發現的具有多種結構相的碳酸鹽礦物，可在高溫高壓條件下通過金剛石壓腔（DAC）實驗合成，研究發現CaC₂O₅可以在上地幔至核幔邊界溫度壓力條件下穩定存在。雖然多種CaC₂O₅同質多相的晶體結構、電子性質和可能的相變已經被前人廣泛報道，但是還沒有統一的研究描述它們對地球深部組成和結構特征及對地球內部碳循環的影響。

針對上述問題，預測所劉雷研究員團隊和地大（北京）毛世德教授團隊合作，對6種不同CaC₂O₅同質多相礦物（以下簡稱CaC₂O_5s）的晶格參數、聲子頻率、電子性質和彈性模量和波速特征隨壓力的變化進行了第一性原理模擬研究，并結合CaC₂O_5s之間的相變條件和發生反應，揭示了CaC₂O_5s在地球內部的賦存及其對地球內部波速結構的影響，取得了以下創新性認識：

1、CaC₂O₅-I2d和CaC₂O₅-C2-l雖然有著不同的結構，但在密度、電子態密度、能帶結構和地震波速上表現出幾乎相同的性質，可認定為同一物相。 

2、CaC₂O₅-Cc相變為CaC₂O₅-I2d（C2-l）時引起的地震波速變化與地幔轉換帶（MTZ）660 km深度處的波速和密度異常一致，區別于先前認為的含水硅酸鹽成因，為660 km處MTZ的波速異常的起源提供了新的可能機制（圖1-2）；

3、CaC2O5-Fdd2在下地幔環境下相變為CaC₂O₅-Pc和CaC₂O₅-C2時，其剪切波波速VS降低了7.4%，密度卻反倒增加了5.8%，與大型剪切波低速?。↙LSVPs）高密度、低波速現象一致，表明了CaC₂O₅及其高壓多態性可能是LLSVPs的成分之一（圖1-2）；

4、根據可能的反應生成式、相變邊界及計算得到的數據，建立了基于CaC₂O_5s及其反應物和生成物的地球內部碳循環模型，描述了其對地球深部碳循環可能存在的影響（圖3）。

圖1 高壓下CaC₂O_5s和幾種下地幔礦物的密度對比

圖2 CaC₂O_5s、PREM模型和一些地幔礦物的剪切波速（VS）和壓縮波速（VP）對比

圖3 地幔內CaC2O5s示意圖。描述了CaC₂O_5s的結構及其在地幔中可能的反應和反應環境

上述研究成果以“Structure and elasticity of CaC₂O₅ suggests carbonate contribution to the seismic anomalies of Earth’s mantle”為題發表于《Nature Communications》上。中國地震局地震預測研究所和中國地質大學（北京）聯合培養博士研究生王翰宇為本文的第一作者，中國地震局地震預測研究所劉雷研究員為第一通訊作者，中國地質大學（北京）毛世德教授為本文的共同通訊作者，合作者包括中國地震局地震預測研究所和中國地質大學（北京）聯合培養博士研究生楊龍星、中國地震局地震預測研究所碩士研究生高梓涵和那仁格日勒。該研究獲得國家自然科學面上基金（42174115，42330311，42073056）、中國地震局地震預測研究所基本科研業務費基金（CEAIEF20230301）和地震動力學國家重點實驗室開放基金（Project No. LED2021B02）的聯合資助。

論文信息如下：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). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44925-9.