Anomal viskositet af basaltisk smelte ved kappeforhold, der begrænser tidsskalaen for de tidlige magmahave

Forskere ved University of Saskatchewan, Canada, sammen med deres samarbejdspartnere ved Zhejiang University of Technology, Kina, og RIKEN Center for Computational Science, Japan, gjort betydelige fremskridt med at begrænse alderen på de tidlige Jords magmahave. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Naturkommunikation .

Transportegenskaber som diffusivitet og viskositet af smeltninger dikterede udviklingen af ​​Jordens tidlige magmahave. I dette arbejde, forfatterne har udforsket trykudviklingen af ​​strukturerne, tætheder, og transportegenskaber af en realistisk model af basaltisk smelte. Denne model basaltiske smelte bestod af CaO, MgO, Al ₂ O ₃ , og SiO ₂ . Beregningerne blev udført ved hjælp af første-princip molekylær dynamik-simuleringer, der efterligner tryk- og temperaturforholdene i Jordens kappe. Forskerholdet ledet af prof. John S. Tse fra Institut for Fysik og Teknisk Fysik ved University of Saskatchewan fandt anomalier i form af reversering af transportegenskaberne (diffusion og viskositet) under de lavere kappeforhold. Denne vending er blevet tilskrevet tidsmæssige atomare interaktioner ved højt tryk, som er fluxional og skrøbelige.

Silicium-ilt- og aluminium-ilt-bindingerne er afgørende faktorer, der førte til konklusionerne af transportegenskaberne. I dette arbejde, forskerne observerede, at ved tryk omtrent over 50 GPa, bindingerne bliver meget skrøbelige og bliver ved med at bryde meget ofte med tiden. Der er ekstrem hurtig interkonversion mellem fem, seks, og syvdobbelt koordinering af silicium- og aluminiumatomerne i forhold til oxygenatomerne. Denne fluksionaladfærd af bindingerne forventes at modificere transportegenskaber ved at øge diffusiviteten og reducere viskositeten ved det trykområde.

Viskositet er en meget væsentlig parameter, der styrede stort set alle de dynamiske processer i de tidlige Jords magmahave. Magma oceaner er generelt accepteret for at være ansvarlige for dannelsen af ​​den metalliske kerne og silikatkappen gennem differentiering samt atmosfæren og hydrosfæren gennem afgasning. Tidligere, tidsskalaerne for magmahavets krystallisering blev foreslået at variere fra tusinder til millioner af år. Dette tal afhænger af magmaens viskositet. Tidligere blev det antaget, at viskositeten var meget høj og dermed forudsagde tidsskalaer på ~100-200 millioner år for magmahave. Nyere undersøgelser, der bruger forskellige antagelser, har reduceret tidsskalaen for magmahave til et par millioner år. Vores beregninger med den omvendte trend ved ~50-82 GPa forudsiger viskositetsstørrelserne på ~0,1 Pa s for basaltiske smelter under de fleste lavere kappeforhold. Dette giver støtte til magmahavenes korte tidsskalaer på et par millioner år.

"Vi har ikke kun med succes begrænset magmahavenes korte tidsskalaer til et par millioner år, men vi har også givet en fristende forklaring på de horisontale afbøjninger af superplumer omkring 1000 km under jordens overflade, " sagde John S. Tse.