ブリッジマナイトの粒径のばらつきが、中間の原因となります。

Apr 20, 2024

Nature volume 620、pages 794–799 (2023)この記事を引用

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69 オルトメトリック

メトリクスの詳細

深さ 800 ～ 1,200 km の地球の下部マントルで 1 ～ 2 桁の粘性ジャンプがジオイドの反転とスラブの沈み込み速度から推測されます。 この上昇はマントル中間粘度上昇として知られています1,2。 マントル中部の粘度上昇は、スラブの沈み込みを減速し 3、プルームの上昇を加速し 4、化学混合を阻害する 5 ため、マントル下部の動力学と進化の重要な要素です。 しかし、マントル下部の主な鉱物の相転移はこの深さでは起こらないため、粘度ジャンプの原因は不明のままです。 今回我々は、下部マントル深部にあるブリッジマナイトが豊富な岩石は、その上にある熱分解岩石よりも粒径が1桁以上大きく、粘度が少なくとも1桁高いことを示す。 このコントラストは、マントル中間部の粘度ジャンプを説明するのに十分です 1,2。 地球史の初期段階におけるブリッジマナイトが豊富な岩石の急速な成長と、その結果として生じる高い粘性は、それらがマントル対流に対して保存されたことを説明しています5、6、7。 コンドライトと比較した上部マントルの高い Mg:Si 比 8、ホットスポットマグマの異常な 142Nd:144Nd、182W:184W および 3He:4He 同位体比 9,10、マントル中部のプルームの偏向 4 およびスラブ停滞 3 も同様です。地震異方性のまばらな観測結果は、急速な粒子成長によって促進された下部マントル深部のブリッジマナイトに富んだ岩石の長期保存によって説明できるからです。

地球の下部マントルは、最も豊富な鉱物相としてブリッジマナイトから構成され、次にフェロペリクレースとダベマオアイトがそれぞれ第 2 相と第 3 相として続きます。 ケイ酸塩の融解と凝固の実験 13,14 は、ブリッジマナイトが地球の歴史の初期段階でマグマオーシャンから結晶化した最初の相であることを示しています。 分別結晶化 15 により、フェロペリクレースの割合が低い（Xfpc <5～10%）ブリッジマナイトに富んだ岩石が深さ約 1,000 km 以上で形成され、深さ 1,000 km を超えると比較的高い Xfpc（約 20%）を持つ熱分解岩（または橄欖岩）に進化しました。一方、ダベマオアイトの含有量はフェロペリクレースよりも低いか、深い下部マントルには存在しないことさえあります16。 現在のマントルの地震波プロファイルと密度プロファイルで実証されているように、ブリッジマナイトが豊富な岩石は、マントル対流による混合なしに今日まで保存されてきた5、6、7、17。どちらも浅い下部マントルとブリッジマナイトの熱分解組成物とよく一致しています。より深い領域の濃縮された岩石18、19、20、21。 ブリッジマナイトが豊富な深部下部マントルは、ブリッジマナイトとフェロペリクレース間の密度クロスオーバーによっても裏付けられています。つまり、ブリッジマナイトが豊富な岩石は、マントル中部の熱分解岩よりも密度が高いということです20。

以前は、ブリッジマナイトはフェロペリクレースよりもレオロジー的に強いと考えられていました 22,23,24。 したがって、ブリッジマナイトが豊富な岩石は熱分解岩よりも粘度が高い可能性があり、深さが深くなるにつれて粘度が増加する可能性があります。 圧力によるフェロペリクレースの強度の増加 23,25 や鉄のスピン転移 26 も粘度の増加を引き起こす可能性があります。 しかし、これらのシナリオを使用して 1 ～ 2 桁の粘度増加を説明するには、フェロペリクレースの相互接続された枠組み (フェロペリクレースによって制御される下部マントルレオロジー) が必要です 5,22。下部マントルの電気伝導率はブリッジマナイトのそれよりも大きい 27,28 が、フェロペリクレースのそれよりも 3 桁小さい 27。 特に、最近の原子モデリング 29 では、マントル条件下ではペリクレースのクリープ速度がブリッジマナイトのクリープ速度よりも遅いことが示されていますが、変形実験 30 では、ブリッジマナイトがポストスピネル (ブリッジマナイト 70% + フェロペリクレース 30%) と同じクリープ速度を有することが示唆されています。 これらの発見は両方とも、ブリッジマナイトによって制御される下部マントルのレオロジーを示しています。 さらに、Si4+ の Al3+ および Fe3+ による置換によって形成されたブリッジマナイト中の酸素空孔は、深さとともにブリッジマナイトの強度を増加させると提案されています 31,32,33。 ただし、Al3+ と Fe3+ はブリッジマナイト中で FeAlO3 を形成する可能性が高くなります 34。 さらに、ダベマオ石はブリッジマナイトよりレオロジー的に弱い35が、体積分率が低い(したがって相互接続がない)ため、マントル下部のレオロジーに対するダベマオアイトの寄与も制限されるはずである16。