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Aug 10, 2023

La variazione nella dimensione dei grani della bridgmanite rappresenta la metà

Nature volume 620, pagine 794–799 (2023) Cita questo articolo 3800 Accessi 69 Dettagli sulle metriche alternative Un salto di viscosità di uno o due ordini di grandezza nel mantello inferiore della Terra a 800–1.200 km

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Un salto di viscosità di uno o due ordini di grandezza nel mantello inferiore della Terra a una profondità di 800-1.200 km è dedotto dalle inversioni dei geoidi e dalle velocità di subduzione delle lastre. Questo salto è noto come salto di viscosità del mantello medio1,2. Il salto di viscosità del mantello medio è una componente chiave della dinamica e dell’evoluzione del mantello inferiore perché decelera la subduzione dello lastrone3, accelera la risalita del pennacchio4 e inibisce la miscelazione chimica5. Tuttavia, poiché le transizioni di fase dei principali minerali del mantello inferiore non avvengono a questa profondità, l’origine del salto di viscosità rimane sconosciuta. Qui mostriamo che le rocce arricchite di bridgmanite nel mantello inferiore profondo hanno una dimensione dei grani che è più di un ordine di grandezza maggiore e una viscosità che è almeno un ordine di grandezza superiore a quella delle rocce pirolitiche sovrastanti. Questo contrasto è sufficiente a spiegare il salto di viscosità del mantello medio1,2. La rapida crescita delle rocce arricchite di bridgmanite nella fase iniziale della storia della Terra e la conseguente elevata viscosità spiegano la loro preservazione dalla convezione del mantello5,6,7. L’elevato rapporto Mg:Si del mantello superiore rispetto alle condriti8, i rapporti isotopici anomali 142Nd:144Nd, 182W:184W e 3He:4He nei magmi hot-spot9,10, la deflessione del pennacchio4 e il ristagno degli lastroni anche nel mantello centrale3 poiché le scarse osservazioni di anisotropia sismica11,12 possono essere spiegate dalla conservazione a lungo termine delle rocce arricchite di bridgmanite nel mantello inferiore profondo, favorita dalla loro rapida crescita dei grani.

Il mantello inferiore della Terra è costituito da bridgmanite come fase minerale più abbondante, seguita da ferropericlasio e davemaoite rispettivamente come seconda e terza fase. Esperimenti di fusione e solidificazione dei silicati13,14 dimostrano che la bridgmanite è la prima fase a cristallizzare da un oceano di magma nelle prime fasi della storia della Terra. A causa della cristallizzazione frazionata15, rocce arricchite di bridgmanite con una bassa proporzione di ferropericlasi (Xfpc <5–10%) si sono formate a più di circa 1.000 km di profondità, evolvendo in rocce pirolitiche (o peridotitiche) con Xfpc relativamente elevato (≈20%) a profondità più superficiali, mentre il contenuto di davemaoite è inferiore a quello del ferropericlasio o addirittura assente nel mantello inferiore profondo16. Le rocce arricchite di bridgmanite potrebbero essere preservate fino ai giorni nostri senza mescolamento per convezione del mantello5,6,7,17 ​​come dimostrato dagli attuali profili sismici e di densità del mantello, entrambi in accordo con le composizioni pirolitiche nel mantello inferiore superficiale e nella bridgmanite- rocce arricchite nelle regioni più profonde18,19,20,21. Un mantello inferiore profondo arricchito di bridgmanite è supportato anche dall'incrocio di densità tra bridgmanite e ferropericlasio, ovvero le rocce arricchite di bridgmanite sono più dense delle rocce pirolitiche nel mantello centrale20.

In precedenza si è ritenuto che la bridgmanite sia reologicamente più forte del ferropericlasi22,23,24. Pertanto, le rocce arricchite di bridgmanite possono avere una viscosità maggiore rispetto a quelle delle rocce pirolitiche, il che può portare ad un aumento della viscosità con la profondità. L'aumento della forza del ferropericlasio con la pressione23,25 e la transizione dello spin del ferro26 possono anche causare un aumento della viscosità. Tuttavia, l’utilizzo di questi scenari per spiegare un aumento della viscosità di uno o due ordini di grandezza richiede una struttura interconnessa di ferropericlasi (reologia del mantello inferiore controllata da ferropericlasi)5,22, il che è improbabile perché la conduttività elettrica del mantello inferiore è paragonabile a quello della bridgmanite27,28, ma tre ordini di grandezza inferiore a quello del ferropericlasi27. In particolare, recenti modelli atomici29 mostrano che la periclasi ha una velocità di creep inferiore a quella della bridgmanite in condizioni di mantello, mentre esperimenti di deformazione30 suggeriscono che la bridgmanite ha una velocità di creep identica a quella del post-spinello (70% bridgmanite + 30% ferropericlasio); entrambi questi risultati indicano una reologia del mantello inferiore controllata dalla bridgmanite. Inoltre, è stato proposto che i posti vacanti di ossigeno nella bridgmanite formati dalla sostituzione di Si4+ con Al3+ e Fe3+ causino un aumento della resistenza della bridgmanite con la profondità31,32,33. Tuttavia, Al3+ e Fe3+ hanno maggiori probabilità di formare FeAlO3 nella bridgmanite34. Inoltre, anche il contributo della davemaoite alla reologia del mantello inferiore dovrebbe essere limitato a causa della sua bassa frazione di volume (e quindi dell'assenza di interconnessione)16, sebbene la davemaoite sia reologicamente più debole della bridgmanite35.