地球内部的物质组成和地震波速结构特征是地球科学研究的热点，是探索和了解地球内部构造活动和地震活动等各动力学过程的重要基础。目前对地球内部波速结构特征的第一手资料一般来自地震学的观测，合理解释地震学观测结果需要了解地球内部物质高压下的密度和弹性等性质演化特征。

CaC₂O₅是一种新发现的具有多种结构相的碳酸盐矿物，可在高温高压条件下通过金刚石压腔（DAC）实验合成，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对地球深部组成和结构特征及对地球内部碳循环的影响。

针对上述问题，预测所刘雷研究员团队和地大（北京）毛世德教授团队合作，对6种不同CaC₂O₅同质多相矿物（以下简称CaC₂O_5s）的晶格参数、声子频率、电子性质和弹性模量和波速特征随压力的变化进行了第一性原理模拟研究，并结合CaC₂O_5s之间的相变条件和发生反应，揭示了CaC₂O_5s在地球内部的赋存及其对地球内部波速结构的影响，取得了以下创新性认识：

1、CaC₂O₅-I2d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，可认定为同一物相。 

2、CaC₂O₅-Cc相变为CaC₂O₅-I2d（C2-l）时引起的地震波速变化与地幔转换带（MTZ）660 km深度处的波速和密度异常一致，区别于先前认为的含水硅酸盐成因，为660 km处MTZ的波速异常的起源提供了新的可能机制（图1-2）；

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VS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）高密度、低波速现象一致，表明了CaC₂O₅及其高压多态性可能是LLSVPs的成分之一（图1-2）；

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CaC₂O_5s及其反应物和生成物的地球内部碳循环模型，描述了其对地球深部碳循环可能存在的影响（图3）。

图1 高压下CaC₂O_5s和几种下地幔矿物的密度对比

图2 CaC₂O_5s、PREM模型和一些地幔矿物的剪切波速（VS）和压缩波速（VP）对比

图3 地幔内CaC2O5s示意图。描述了CaC₂O_5s的结构及其在地幔中可能的反应和反应环境

上述研究成果以“Structure and elasticity of CaC₂O₅ suggests carbonate contribution to the seismic anomalies of Earth’s mantle”为题发表于《Nature Communications》上。中国地震局地震预测研究所和中国地质大学（北京）联合培养博士研究生王翰宇为本文的第一作者，中国地震局地震预测研究所刘雷研究员为第一通讯作者，中国地质大学（北京）毛世德教授为本文的共同通讯作者，合作者包括中国地震局地震预测研究所和中国地质大学（北京）联合培养博士研究生杨龙星、中国地震局地震预测研究所硕士研究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费基金（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。

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). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44925-9.