Вариация размера зерен бриджманита обуславливает середину

Apr 20, 2024

Nature, том 620, страницы 794–799 (2023 г.) Процитировать эту статью

3800 Доступов

69 Альтметрика

Подробности о метриках

Скачок вязкости на один-два порядка в нижней мантии Земли на глубине 800–1200 км определяется на основе инверсий геоида и скоростей погружения плит. Этот скачок известен как скачок вязкости в средней мантии1,2. Скачок вязкости в средней мантии является ключевым компонентом динамики и эволюции нижней мантии, поскольку он замедляет субдукцию плиты3, ускоряет подъем плюма4 и препятствует химическому перемешиванию5. Однако, поскольку на этой глубине не происходят фазовые переходы основных минералов нижней мантии, природа скачка вязкости остается неизвестной. Здесь мы показываем, что обогащенные бриджманитом породы глубокой нижней мантии имеют размер зерен более чем на порядок больше и вязкость как минимум на порядок выше, чем у вышележащих пиролитовых пород. Этого контраста достаточно, чтобы объяснить скачок вязкости в средней мантии1,2. Быстрый рост пород, обогащенных бриджманитом, на раннем этапе истории Земли и связанная с этим высокая вязкость объясняют их защиту от мантийной конвекции5,6,7. Высокое соотношение Mg:Si в верхней мантии по сравнению с хондритами8, аномальные изотопные отношения 142Nd:144Nd, 182W:184W и 3He:4He в горячих точках магмы9,10, отклонение плюма4 и застой слэба в средней мантии3, а также поскольку редкие наблюдения сейсмической анизотропии11,12 можно объяснить длительным сохранением пород, обогащенных бриджманитом, в глубокой нижней мантии, чему способствует их быстрый рост зерен.

Нижняя мантия Земли состоит из бриджманита как наиболее распространенной минеральной фазы, за которой следуют ферропериклаз и давемаоит как вторая и третья фазы соответственно. Эксперименты по плавлению и затвердеванию силиката13,14 показывают, что бриджманит является первой фазой, кристаллизовавшейся из океана магмы на ранних этапах истории Земли. В результате фракционной кристаллизации15 на глубине более 1000 км образовались обогащенные бриджманитом породы с низкой долей ферропериклаза (Xfpc <5–10%), эволюционировавшие в пиролитовые (или перидотитовые) породы с относительно высоким Xfpc (≈20%) при на более мелких глубинах, тогда как содержание давемаоита ниже, чем у ферропериклаза, или вообще отсутствует в глубоких слоях нижней мантии16. Породы, обогащенные бриджманитом, могли сохраниться до наших дней без смешивания в результате мантийной конвекции5,6,7,17, о чем свидетельствуют современные мантийные сейсмические и плотностные профили, оба из которых хорошо согласуются с пиролитовым составом в неглубокой нижней мантии и бриджманит- обогащенные породы в более глубоких регионах18,19,20,21. Глубокая нижняя мантия, обогащенная бриджманитом, также поддерживается пересечением плотностей между бриджманитом и ферропериклазом, то есть породы, обогащенные бриджманитом, более плотные, чем пиролитовые породы в средней мантии20.

Ранее считалось, что бриджманит реологически прочнее ферропериклаза22,23,24. Таким образом, породы, обогащенные бриджманитом, могут иметь более высокую вязкость, чем пиролитовые породы, что может приводить к увеличению вязкости с глубиной. Увеличение прочности ферропериклаза с давлением23,25 и спиновый переход железа26 также могут вызывать увеличение вязкости. Однако использование этих сценариев для объяснения увеличения вязкости на один-два порядка требует взаимосвязанной структуры ферропериклаза (реология нижней мантии, контролируемая ферропериклазом)5,22, что маловероятно, поскольку электропроводность нижней мантии сравнима с электропроводностью нижней мантии. у бриджманита27,28, но на три порядка меньше, чем у ферропериклаза27. В частности, недавнее атомное моделирование29 показывает, что периклаз имеет более медленную скорость ползучести, чем скорость ползучести бриджманита в мантийных условиях, тогда как эксперименты по деформации30 предполагают, что скорость ползучести бриджманита идентична скорости ползучести постшпинелида (70% бриджманита + 30% ферропериклаза); обе эти находки указывают на реологию нижней мантии, контролируемую бриджманитом. Более того, предполагается, что кислородные вакансии в бриджманите, образовавшиеся в результате замещения Si4+ на Al3+ и Fe3+, вызывают увеличение прочности бриджманита с глубиной31,32,33. Однако Al3+ и Fe3+ с большей вероятностью образуют FeAlO3 в бриджманите34. Кроме того, вклад давемаоита в реологию нижней мантии также должен быть ограничен из-за его низкой объемной доли (и, следовательно, отсутствия взаимосвязи)16, хотя давемаоит реологически слабее, чем бриджманит35.