Måling af lyden af ​​Majorite under kappeovergangszoneforhold

Forskere ved Ehime University har rapporteret lydhastigheden af ​​MgSiO ₃ Majorit granat op til trykket på 18 gigapascal og temperatur op til 2, 000 Kelvins. Deres resultater fører til forståelse af mineralsammensætningen i Jordens kappeovergangszone (MTZ), som endnu ikke er fuldt belyst. Denne undersøgelse tyder på, at en mekanisk blanding af plader og kapper, frem for ækvilibreret sten, er mere tilbøjelig til at forklare seismologiske observationer i hele MTZ.

Silikatgranater er vigtige stendannende mineraler, som udgør en stor del af jordskorpen og den øvre kappe. Der er mange slags silikatgranater sammensat af en række kombinationer af flere elementer:silikat, magnesium, aluminium, calcium osv. Blandt silikatgranater, de kaldet majoritiske granater er granater beriget med silicium, der udelukkende dannes på dybder under ~ 300 km, når pyroxener, et andet mineral fundet i jordskorpen og den øvre kappe, opløses gradvist i granater fra lavere dybder. Allerede i 2008, en eksperimentel undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Natur af Irifune et al. viste, at pyrolit, bestående af ~ 40 vol.% majoritisk granat og ~ 60 vol.% olivin (slags silikatmineraler, (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ ), er den mest repræsentative stensammensætning på ~ 560 km dybder i MTZ. Der er, imidlertid, stadig en del kontroverser vedrørende den øvre del af MTZ, under diskontinuiteten på 410 km, og i den dybere MTZ, over diskontinuiteten på 660 km, hvor mineralfysiske data ikke kan forklare de stejle seismiske hastighedsgradienter observeret af globale seismiske undersøgelser.

Flere hypoteser er blevet foreslået for at forklare sådanne uoverensstemmelser, blandt dem, ideen om variationer af kemisk sammensætning i kappe granater er vokset i popularitet. På grund af de kontrasterende forskelle i massesammensætningen af ​​kappe- og plade -litologier, den kemiske sammensætning af majoritisk granat vil sandsynligvis variere betydeligt over hele kloden, afhængigt af den geologiske historie for hver subduktionszone. Fortolkning af sådanne seismiske observationer med hensyn til granatkompositioner, imidlertid, kræver et præcist kendskab til de termoelastiske egenskaber ved granat -slutmedlemmerne i et bredt tryk- og temperaturområde.

MgSiO ₃ majorit er det mest betydningsfulde slutmedlem af den siliciumrige majoritiske granatfamilie og en vigtig bestanddel af majoritiske granater. Kendskab til dens termoelastiske egenskaber er derfor af primær betydning for nøjagtigt at udlede de seismiske hastigheder for majoritisk granat over et bredt tryk, temperatur og kemiske sammensætninger. Men, fordi denne fase kun er stabil i et snævert trykområde, mellem ~ 16 og 22 GPa, og temperaturer højere end ~ 1800 K, at foretage sådanne målinger har været udfordrende, og dens lydhastigheder ved samtidig højtryk og høj temperatur er aldrig blevet bestemt.

På trods af disse vanskeligheder, forskere på Ehime målte med succes længde- (VP) og forskydning (VS) hastigheder, samt densiteten af ​​MgSiO ₃ majorit, op til 18 GPa og 2, 000 K. I forsøgene synkrotron røntgenteknikker blev kombineret med in situ ultralydsmålinger ved højt tryk og temperatur, i apparatet med flere ambolter placeret ved beamline BL04B1 i SPring-8 (Hyogo, Japan). De brugte en syntetisk stang af MgSiO ₃ enstatite, en lavtryksform af MgSiO ₃ , at syntetisere majoritprøven ved højt tryk og høj temperatur, hvorfra de direkte målte dets lydhastigheder i multi-amboltpressen.

Resultaterne af deres eksperimenter viste, at majorit har den mindste bulk og forskydningsmodul blandt de af de største granat -slutmedlemmer ved tryk og temperaturer på Jordens MTZ, tyder på, at elastisk blødgøring sandsynligvis vil forekomme i kappe-granater, når majoritindholdet stiger med stigende tryk (med at gå dybere). Resultaterne forudsiger yderligere, at de elastiske forskydningsegenskaber af Ca-bærende majorit kan være mere følsomme over for kationbestilling/disordering end andre majoritiske granater, hvilket kunne give anledning til en lang række forskydningselastiske anomalier på tværs af transformationen af ​​kubisk granat til tetragonal majoritisk granat i naturlige sammensætninger.

Forøgelsen af ​​majoritindholdet i kappe granater ville bidrage til at bremse den subdukterede plade i den midterste del af MTZ. Stigningen kan også spille en rolle sammen med opdelingen af ​​Fe i olivin/wadsleyit eller delvis smeltning, at fortolke det observerede hastighedshop ved 410 km. Sammensætningsændringer i majoritisk granat er, imidlertid, usandsynligt at påvirke de seismiske profiler over 660, som kan ændres mere ved udseendet af CaSiO ₃ davemaoite eller Fe partitionering i (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ komponenter. Disse nye data bør i høj grad bidrage til at spore eksistensen og genanvendelsen af ​​den tidligere subducerede litosfæriske skorpe og skæbnen for den subdukterede plade i Jordens MTZ.