브리지머나이트 입자 크기의 변화가 중간 정도를 차지합니다.

Apr 20, 2024

Nature 620권, 794~799페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

800~1,200km 깊이의 지구 하부 맨틀에서 1~2배 정도의 점도 점프는 지오이드 역전과 석판 섭입 속도를 통해 추론됩니다. 이 점프는 맨틀 중간 점도 점프1,2로 알려져 있습니다. 중간 맨틀 점도 점프는 슬래브 침강3을 감속시키고 연기 상승4을 가속화하며 화학적 혼합5을 억제하기 때문에 하부 맨틀 역학 및 진화의 핵심 구성 요소입니다. 그러나 이 깊이에서는 주요 하부 맨틀 광물의 상전이가 발생하지 않기 때문에 점도 점프의 원인은 아직 알려지지 않았습니다. 여기에서 우리는 깊은 하부 맨틀에 있는 브리지머나이트가 풍부한 암석은 위에 있는 열분해 암석보다 한 자릿수 이상 더 큰 입자 크기와 적어도 한 자릿수 더 높은 점도를 가지고 있음을 보여줍니다. 이 대비는 맨틀 중간 점도 점프1,2를 설명하기에 충분합니다. 지구 역사의 초기 단계에서 브리지머나이트가 풍부한 암석의 급속한 성장과 그에 따른 높은 점도는 맨틀 대류에 대한 보존을 설명합니다5,6,7. 콘드라이트에 비해 상부 맨틀의 높은 Mg:Si 비율8, 열점 마그마의 변칙적인 142Nd:144Nd, 182W:184W 및 3He:4He 동위원소 비율9,10, 깃털 편향4 및 중간 맨틀3의 슬래브 정체3 지진 이방성에 대한 희박한 관측은 빠른 입자 성장에 의해 촉진되는 깊은 하부 맨틀의 브리지머나이트가 풍부한 암석의 장기간 보존으로 설명될 수 있기 때문입니다.

지구의 하부 맨틀은 가장 풍부한 광물 단계인 브리지마나이트로 구성되어 있으며, 그 다음으로 각각 두 번째와 세 번째 단계인 페로페리클라제와 다베마오이트가 뒤따릅니다. 규산염 용융 및 응고 실험13,14은 브리지머나이트가 지구 역사의 초기 단계에 마그마 바다에서 결정화되는 첫 번째 단계임을 보여줍니다. 분별 결정화로 인해 낮은 페로페리클라제 비율(Xfpc <5-10%)을 갖는 브리그마나이트가 풍부한 암석은 약 1,000km 이상의 깊이에서 형성되었으며, 반면에 다베마오이트 함량은 페로페리클라제보다 낮거나 심지어 깊은 하부 맨틀에는 존재하지 않습니다. 브리지머나이트가 풍부한 암석은 현재의 맨틀 지진 및 밀도 프로파일에 의해 입증된 바와 같이 맨틀 대류에 의한 혼합 없이 현재까지 보존될 수 있었으며, 둘 다 얕은 하부 맨틀과 브리지머나이트의 열분해 조성과 잘 일치합니다. 더 깊은 지역의 풍부한 암석18,19,20,21. 브리지머나이트가 풍부한 깊은 하부 맨틀은 또한 브리지머나이트와 페로페리클라제 사이의 밀도 교차에 의해 뒷받침됩니다. 즉, 브리지머나이트가 풍부한 암석은 맨틀 중간에서 열분해 암석보다 밀도가 더 높습니다.

이전에는 브리지마나이트가 페로페리클라제보다 유변학적으로 더 강한 것으로 간주되었습니다. 따라서 브리지머나이트가 풍부한 암석은 열분해 암석보다 점도가 더 높을 수 있으며, 이는 깊이에 따라 점도가 증가할 수 있습니다. 압력에 따른 페로페리클라아제의 강도 증가와 철 스핀 전이26도 점도 증가를 유발할 수 있습니다. 그러나 이러한 시나리오를 사용하여 1~2배의 점도 증가를 설명하려면 페로페리클라제(페로페리클라제 제어 하부 맨틀 유변학)5,22의 상호 연결된 프레임워크가 필요합니다. 이는 하부 맨틀의 전기 전도성이 브리지마나이트(27,28)의 것이나 페로페리클라제(27)보다 3배 작은 크기이다. 특히, 최근 원자 모델링29에서는 페리클라제가 맨틀 조건 하에서 브리지마나이트보다 느린 크리프 속도를 갖는 것을 보여주는 반면, 변형 실험30에서는 브리지마나이트가 포스트 스피넬(70% 브리지마나이트 + 30% 페로페리클라제)과 동일한 크리프 속도를 갖는 것으로 나타났습니다. 이 두 가지 발견은 브리지머나이트에 의해 제어되는 하부 맨틀 유변학을 나타냅니다. 더욱이, Si4+를 Al3+ 및 Fe3+로 치환함으로써 형성된 브리지마나이트의 산소 결손은 깊이에 따라 브리지머나이트 강도를 증가시키는 것으로 제안되었습니다31,32,33. 그러나 Al3+와 Fe3+는 브리지마나이트34에서 FeAlO3를 형성할 가능성이 더 높습니다. 더욱이, 다베마오이트가 브리지머나이트보다 유변학적으로 약하기는 하지만 낮은 부피 분율(따라서 상호 연결 없음)로 인해 하부 맨틀 유변학에 대한 다베마오이트의 기여도 제한되어야 합니다.

3%. Accordingly, the solid and dashed lines in e are fitting curves of k to the equation $\log (k)={A}^{{\prime\prime} }\exp \left({X}_{{\rm{fpc}}}/{B}^{{\prime\prime} }\right)+{C}^{{\prime\prime} }$(k in units of μmn s−1) based on the continuous and discontinuous n, respectively. The fitting parameters are shown in the figure. The solid and dashed lines in a–c are calculated from the n–Xfpc and k–Xfpc relations in d and e./p>

3 cm3 mol−1 is unlikely because η would increase by more than three orders of magnitude with depth from 660 to 2,000 km, which disagrees with the mantle viscosity profile estimated from geoid observations (Extended Data Fig. 5d)./p>

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