Tilslutningen af ​​multikomponentvæsker i subduktionszoner

Et team af forskere har opdaget mere om kornskala-væskeforbindelsen under jordens overflade, kaste nyt lys over væskecirkulation og seismiske hastighedsanomalier i subduktionszoner.

Litosfæriske plader støder sammen ved konvergerende grænser. Her, den mindre tætte oceaniske lithosfære subdukterer under kontinentalpladen, og frigiver en overflod af vand på grund af en progressiv metamorf reaktion ved højt tryk og høj temperatur. Det frigivne vand kan trænge ind i kappekilen, der ligger mellem den subducerende oceaniske litosfære og den kontinentale skorpe.

Væsker, der cirkulerer i subduktionszoner, har en signifikant effekt på magma-genese, global materialeudveksling mellem jordens indre og overflade, og seismicitet. Den dihedriske vinkel (θ) - vinklen mellem to skærende planer - er nøglen til at afsløre væskeforbindelsen og migrationsregimet for et væskebærende, dybtsiddende sten i Jordens indre kendt som pyrolite - en sten hovedsageligt sammensat af olivin.

Selvom H ₂ O er den overvejende sammensætning af subduktionszonevæsker, mindre komponenter i væsken kan have en dramatisk indvirkning på olivins befugtningsegenskaber. Dette fremgår af den dihedrale vinkel mellem olivin og væske.

Salt (NaCl) og ikke-polariserede gasser såsom CO ₂ er to afgørende komponenter i subduktionszonevæsker, der signifikant påvirker den dihedrale vinkel mellem olivin og væske. CO ₂ vides at øge olivinvæsken θ under forhold, hvor olivinen ikke reagerer med CO ₂ . Hvorimod, en nylig undersøgelse viste, at NaCl effektivt kan reducere olivinvæsken θ selv med en lav NaCl-koncentration. NaCl og CO ₂ har modsatte virkninger på olivinvæsken θ, og denne faktor har hæmmet forskere i deres forståelse af væskemigration i subduktionszoner.

Tydeliggørelse af de konkurrerende virkninger af NaCl og CO ₂ på θ i en olivin + multikomponent (H ₂ O-CO ₂ -NaCl) væskesystem kan hjælpe forskere med at forstå forbindelsen mellem vandig væske og mere realistiske sammensætninger af kappekilen; dermed gøre kortlægning af væskefordeling lettere.

At gøre dette, doktorand Yongsheng Huang, professor Michihiko Nakamura, og postdoc-forsker Takayuki Nakatani fra Tohoku University arbejdede sammen med professor Catherine McCammon fra University of Bayreuth. Forskerholdet søgte at begrænse θ i olivin +H ₂ O-CO ₂ væske og olivin +H ₂ O-CO ₂ -NaCl (multikomponent) væskesystemer ved 1-4 GPa og 800-1100 °C.

Resultaterne i H ₂ O-CO ₂ systemet viste, at CO ₂ har tendens til at øge θ ved 1 GPa og 800-1100 °C og ved 2 GPa og 1100 °C. I modsætning, CO ₂ reducerede θ til under 60° ved relativt høje tryk og lave temperaturforhold. Her, olivinen reagerer delvist med CO ₂ at danne magnesit og orthopyroxen (opx).

Yderligere eksperimenter på olivin-magnesit +H ₂ Oand olivin-opx +H ₂ Osystemer viste magnesit eller opx reducerede olivin-væsken θ. Dette indebærer, at sameksisterende mineraler påvirker olivin-fluid grænsefladeenergien ved at ændre væskekemi. Multikomponentsystemresultaterne viste, at virkningen af ​​NaCl på θ er meget mere signifikant end CO ₂ . Påfaldende nok, θ var mindre end 60° i alle de magnesit- og opx-bærende multikomponentsystemer.

"Vores undersøgelse har afsløret, at CO ₂ -bærende multikomponent vandig væske kan infiltrere den overliggende plade gennem et sammenkoblet netværk ved tryk over 2 GPa, som letter betydelig cirkulation af forbuevæske og bekræfter oprindelsen af ​​de anomalier med høj elektrisk ledningsevne, der er påvist i forbuekappekilen, " sagde Nakamura.

De kontrasterende virkninger af vandig væske og silikatsmelte på den seismiske bølgehastighed kan muliggøre kortlægning af delvis smeltning i kappekilen.