Deformeres Jordens overgangszone som den øvre kappe?

I et nyligt offentliggjort papir i Earth and Planetary Science Letters , forskere fra Geodynamisk Forskningscenter, Ehime University og University of Lille kombinerer numerisk modellering af dislokationsglidning og resultater fra diffusionseksperimenter for at gense reologien af ​​wadsleyite, ringwoodit og majorite granat under geologiske belastningshastigheder på tværs af overgangszonen af ​​Jordens kappe baseret på teoretisk plasticitetsmodellering.

På trods af at den består af faste klipper, jordens kappe, som strækker sig til en dybde på ~ 2890 km under skorpen, gennemgår konvektiv strømning ved at fjerne varme fra jordens indre. Denne proces involverer masseoverførsel ved subduktion af kolde tektoniske plader fra og opstigning af varme faner mod Jordens overflade, ansvarlig for mange store geologiske træk, såsom jordskælv og vulkanisme. Gennem en kombination af tidligere seismologiske og mineralfysiske undersøgelser, det er velkendt, at Jordens kappe er opdelt (mineralogisk) i to hovedregimer:den øvre og den nedre kappe, adskilt af overgangszonen, ' et grænselag mellem ~410 og ~660 km dybde. Denne overgangszone påvirker omfanget af helkappens konvektion ved at kontrollere masseoverførslen mellem den øvre og nedre kappe. Seismiske tomografiundersøgelser (CT-scanning af jordens indre ved hjælp af seismiske bølger) har tidligere afsløret, at mens nogle plader trænger gennem overgangszonen, andre synes at stagnere enten inden for eller lige under. Årsagen er uklar, og dynamikken i Jordens kappe på tværs af overgangszonen er stadig dårligt begrænset på grund af den manglende forståelse af dens mekaniske egenskaber.

Disse mekaniske egenskaber afhænger af mineralers evne til at gennemgå langsom plastisk deformation som reaktion på en lav mekanisk belastning, kaldet 'kryb, ' typisk beskrevet af en parameter kendt som "viskositet." Dynamikken i den øvre kappe afhænger af plastisk deformation af dens hovedbestanddel, Mg ₂ SiO ₄ olivin. De første ~300 km af den øvre kappe er karakteriseret ved en stærk retningsafhængig afhængighed af hastigheden af ​​seismiske bølger, kendt som "seismisk anisotropi." Derfor, det antages generelt, at "dislokationskryb" - en deformationsmekanisme, der inducerer gitterrotation og krystallografiske foretrukne orienteringer (CPO) i elastisk anisotrope mineraler som olivin - bidrager til den samlede deformation af den øvre kappe. Dislokationskryb er en intrakrystallinsk deformationsmekanisme, der er ansvarlig for transporten af ​​krystalforskydning, medieret af lineære defekter kaldet "dislokationer". Det er en sammensat deformationsmekanisme, der kan involvere både glidning af dislokationer langs nogle specifikke krystalretninger og -planer og diffusionsmedieret stigning ud af deres glideplaner. Ja, nyere numeriske simuleringer af Boioli et al. (2015) har vist, at deformation af Mg ₂ SiO ₄ olivinkrystaller optages af Weertman-typen af ​​dislokationskryb under relevante øvre kappeforhold, hvor opstigning af dislokationer muliggør genopretning af dislokationsforbindelser, tillader plastisk belastning at blive produceret effektivt ved dislokationsglidning.

Gå ind i kappeovergangszonen ud over ~410 km dybde med stigende tryk (P) og temperatur (T), olivin omdannes først til sin høj-P polymorfe wadsleyit og ved ~520 km til ringwoodit. Det er fortsat uklart, om deformationsprocesser af disse mere kompakte strukturer af høj-P polymorfer af olivin ligner dem for olivin (Ritterbex et al. 2015; Ritterbex et al. 2016). For at besvare dette spørgsmål, forskere fra plasticitetsgruppen ved universitetet i Lille og Geodynamisk forskningscenter ved Ehime University kombinerede numeriske simuleringer af termisk aktiverede dislokationsglidemobiliteter sammen med resultater fra eksperimentelle diffusionsdata, og demonstrere, at i modsætning til olivin ved øvre kappeforhold, dislokationsstigningshastigheder overstiger glidehastighederne i høj-P polymorfer af olivin, inducerer en overgang af deformationsmekanisme i dislokationskrybningsregimet fra Weertman-kryb til ren stigningskryb ved geologisk relevante spændinger. Baseret på plasticitetsmodellering og begrænset af diffusionsdata fra eksperimenter, den nuværende undersøgelse kvantificerer steady-state deformation af hovedovergangszonens mineraler wadsleyit, ringwoodit og majorite granat som funktion af kornstørrelse.

Disse modelleringer er i stand til at forklare en række nøgletræk forbundet med kappeovergangszonen. Det er vist, at intrakrystallinsk plasticitet af wadsleyit, ringwoodit og majorit granat ved ren klatrekryb ved geologiske belastninger fører til en ligevægtig overgangszone på 10 ^(21±1) Pa.s, hvis kornstørrelsen er ~0,1 mm eller større, matcher godt de tilgængelige geofysiske data på omvendt overflade, som typisk bruges til at begrænse rheologiske egenskaber af jordens kappe. Da ren klatrekryb ikke inducerer gitterrotation og ikke kan producere CPO, deformation af overgangszonen ved denne mekanisme er kompatibel med dens relative seismiske isotropi sammenlignet med den øvre kappe. Forskerne fandt også ud af, at CPO er i stand til at udvikle sig sammen med stresskoncentrationer ved aktivering af Weertman-kryb, f.eks. i hjørnestrømme omkring kolde subducerende plader, noget, der kunne inducere en stigning i subduktionsmodstand, forklarer, hvorfor nogle plader går i stå i bunden af ​​overgangszonen. På den anden side, viskositetsreduktioner forudsiges, hvis korn er mindre end ~0,1 mm, når overgangszonesilicaterne deformeres ved ren atomdiffusion, almindeligvis omtalt som "diffusionskryp, ", som potentielt kan påvirke strømningsdynamikken i det indre af kolde subducerende plader eller på tværs af faseovergange.

Fremtidig inkorporering af disse deformationsmekanismer som funktion af kornstørrelse i geodynamiske konvektionsmodeller bør forbedre vores forståelse af samspillet mellem den øvre og nedre kappe og forventes at være nyttig til at begrænse den geokemiske udvikling af Jorden.