——记中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授
本刊记者  李明丽 

　　 电影《地心历险记》讲述了一位地质学家深信地底另有世界，于是与侄儿前往冰岛，从火山口潜入地心，体验了地下不为人知的幻妙世界。回到现实，我们所生活的地球内部究竟是怎样的？
　　 科学发展到今天，人们能上“九天揽月”却仍然“入地无门”。因为那是一个复杂的高温高压系统，地球核心的压力约360Pa，温度超过5000℃，研究物质在高温高压下物性因此也就成为探索地球深部物质组成、结构和变化规律的关键一环。从全球范围来看，高压科研仍处于萌芽阶段，中国起步更晚。正是在这一需求下，吴忠庆教授作为计算研究矿物高温高压物性的海外杰出人才被引进回国。

初尝科研快乐

　　 吴忠庆教授1997年毕业于四川大学水利水电工程系获学士学位，源于发自心底对物理的兴趣，同年考入浙江大学物理系攻读硕士学位，在这里受到高温超导研究的耳濡目染，重新思考高温超导体中的空穴配对的概念，提出新观点解释高温超导的多个实验结果，初尝获得新发现的快乐，感受到科学研究迷人的魅力。自此，也坚定了从事科学研究的决心。
　　 2000年，吴忠庆考入清华大学物理系攻读博士学位，在顾秉林院士和段文辉教授组从事铁电材料特性的计算研究。在宽松、自由、活跃的学术氛围下，他发现调制的镐钛酸铅超晶格会出现具有优越铁电性能的新相；在超薄的铁电薄膜中偶极子会形成清晰的蜗旋结构的条文畴，这些发现帮助理解了薄膜的铁电临界尺寸效应、畴结构在电场下不同寻常的反应特性。
　　 尽管当时吴忠庆教授在铁电方面研究工作取得了可喜的成果，但他却不安于现状，在导师顾秉林院士和段文辉教授的鼓励下，决定出国留学，开拓视野、拓宽研究领域。

探索高温高压下的矿物物性

　　 2005年6月，吴忠庆教授来到美国明尼苏达大学化工材料系进行博士后研究，开始从事第一性原理计算研究矿物高温高压下的物性。合作导师Renata Wentzcovitch教授是第一性原理计算研究矿物高温高压物性领域的杰出学者，近些年来领导的课题组在矿物物理领域的两大进展——后钙钛矿相变和铁的自旋转变中做出了重要贡献。其中，计算矿物弹性更是她领导的研究组的一大特点。
　　 吴忠庆教授介绍说，诸如层析成像等地震学反演是他们获得地球内部结构的主要手段，但要解读所得的波速结果需要他们对众多矿物在地球内部温压下的性质有系统的了解，比较矿物聚合体在高温高压下的波速与地球内部波速是最直接限定地球内部成分的方法。矿物高温高压下的物性特别是弹性特性，因此是矿物物理学的核心内容。与高压实验相比，第一性原理计算可以容易地实现高温高压条件，所得结果可以跟实验媲美，在研究中扮演越来越重要的角色。
　　 在国外，吴忠庆教授在该领域取得多个重要成果：例如，利用第一性原理计算所得的MgO状态方程与超高压冲击波实验数据非常符合的特点，提出了一个MgO高温高压绝对压标，并在2010年被基于绝对压标方法的实验全面验证，为解决高压实验压强不一致的问题迈出了关键一步。发展了两个方法：第一个是第一性的计算非谐自由能方法，成倍的增加结果的适用温度范围；第二个是弹性常数的第一性原理计算新方法，其计算量不到常规的方法的十分之一，同时不降低计算精度，为计算众多结构复杂的矿物的弹性奠定了基础。这些有特色的研究，为吴忠庆教授在科研道路上的攀登铺就了牢固的基石。

回国后再次起航

　　 鉴于国内高温高压矿物物性研究是一个相对比较薄弱的领域，但同时又是地球科学非常重要的一个方向，中国科学技术大学地球和空间科学学院陈晓非院长力主在2010年引进吴忠庆教授。在学校和学院的大力支持下，他围绕深化地球内部结构认识这个主题开展研究，在几年时间里在该领域做出了多个有影响的成果，为迅速提升我国在该领域的国际影响力打下了一个好的开局。
　　 铁方镁石是下地幔主要矿物之一，其所含铁的原子磁距如何随深度变化，以及进一步如何影响地幔特性是地球科学的一个基本问题。2003年首次在该矿物观测到铁的自旋转变掀起了这个转变对矿物物性特别是弹性影响的研究热潮。吴忠庆教授首次获得了整个地幔温度和压强下的铁方镁石弹性，从理论上指出铁方镁石的立方对称性决定了铁自旋转变只会显著降低体模量、对剪切模量没有类似的效果。但在高压实验极可能出现的偏压会破坏铁方镁石的立方对称性，从而导致部分实验观测到剪切模量的反常降低，这很好地解释了发表在《科学》杂志上不同工作间的分歧。在与地幔波速比较来限定地幔的成分时，通常需要将实验测定的矿物波速数据往高温高压进行大范围的外推，2012年Murakami等人借助于这种外推在《自然》杂志发文称下地幔主要是钙钛矿组成的，与以往高温高压研究所得的结论完全不同，吴忠庆教授通过计算发现Murakami等人的外推显著低估了铁方镁石横波波速，他们关于下地幔的成分结论是不可靠的。研究结果发表在《物理评论快报》上，《科学》杂志在编辑特选栏目以《Spinning Iron in the Mantle》为题介绍了该工作。
　　 铁方镁石的铁自旋转变是一个渐变的过程，不会导致波速跳变，因此似乎是地震学不可见的，吴忠庆教授通过分析铁方镁石弹性数据发现，铁的自旋转变产生的效果完全可以通过层析成像等手段观测到，例如它会导致P波波速在～1750公里深度对温度变化不敏感，起源于深部的地幔柱在该深度“断开”，这样的现象已经在多个层析成像结果中出现，但一直没有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔边界的热物质上涌流，穿越整个地幔到达岩石圈底部，是板块运动的主要驱动力之一，能够解释地表热点轨迹，大火成岩省形成等众多地质观测现象，因此直接证实地幔柱是地球科学非常重要的一个课题，地震学成像是目前观测地幔柱主要手段，利用了热物质波速慢的特点。但实际观测发现多个地幔柱在～1750公里深度波速并没有明显变慢，既上涌热物质在这个深度左右突然变的不热，这是很难理解的，也跟地幔柱的整个概念有冲突，而吴忠庆教授的研究结果表明上涌物质在该深度其实还是热的，只不过由于铁自旋转变，P波波速在这个深度对温度变化不敏感，在P波图像上感受不到高温。吴教授的工作给地幔柱模型强有力的支持。可以预期自旋转变一定会象橄榄石系列相变、后钙钛矿相变一样有力地促进了我们对地球内部结构的认识。研究结果发表在《美国科学院院刊》。
　　 吴忠庆教授的研究工作重点主要是两大方面。一是利用新发展的弹性方法研究各种矿物的弹性，这包括上面自旋转变方面的工作，其它关于不同铁含量下的橄榄石及其高压相的弹性特性已经分别发表在2012年的《地球和行星科学快报》和2013年的《地球物理研究快报》杂志上。另一个是第一性原理计算同位素平衡分馏方面的工作，发现压强、相变等可以显著影响矿物间Mg、Si同位素分馏特性，揭示辉石和石榴子石之间大的Mg平衡同位素分馏方面，并据此建立的一个Mg同位素地质温度计，上下地幔的主要矿物之间有很大的平衡Si同位素分馏，上下地幔的Si同位素组成因此很可能是不均一的，从而影响地核中Si含量的估计，这些工作分别发表在《地球和行星科学快报》和《地球化学与宇宙化学学报》上。
　　 地球科学是一个交叉性特别强的学科，吴忠庆教授在研究中非常关注这一特点，在中科大地空学院自由的学术氛围中积极地开展各种合作。
　　 在认识自然界的过程中，充满各种挑战和困难；在探秘地球深处的过程中，充满无限拓新和神奇，而这些探索对地球形成与演化规律、开发地球资源及减轻自然灾害（如地震等）是有着重要意义的。我们期待吴忠庆教授在探索未知的路上有更多发现和进展！