[論文レビュー] Core-exsolved SiO$_2$ dispersal in the Earth's mantle

George Helffrich, Maxim Ballmer+1 more|UCL Discovery (University College London)|Jan 6, 2018

High-pressure geophysics and materials被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、地球の形成初期に核から析出したSiO₂が、下部マントルを上昇し、コア-マントル境界に散在するインクルージョンを形成する可能性を提唱している。初期地球の条件下では、粘性レイノルズ＝ターナー不安定性が、最大約1 kmの直径をとるSiO₂ダイアピアを生成し、それらは独立して上昇し、中立的浮力のレベルに捕らわれる。これは、浅い下部マントルで最大8.5 vol.%に達する可能性があり、平均的な地震波速度にほとんど影響を与えないにもかかわらず、小スケールの地震波散乱を説明できる。

ABSTRACT

SiO$_2$ may have been expelled from the core directly following core formation in the early stages of Earth's accretion and onwards through the present day. On account of SiO$_2$'s low density with respect to both the core and the lowermost mantle, we examine the process of SiO$_2$ accumulation at the core-mantle boundary (CMB) and its incorporation into the mantle by buoyant rise. Today, if SiO$_2$ is 100-10000 times more viscous than lower mantle material, the dimensions of SiO$_2$ diapirs formed by the viscous Rayleigh-Taylor instability at the CMB would cause them to be swept into the mantle as inclusions of 100 m - 10 km diameter. Under early Earth conditions of rapid heat loss after core formation, SiO$_2$ diapirs of ~1 km diameter could have risen independently of mantle flow to their level of neutral buoyancy in the mantle, trapping them there due to a combination of intrinsically high viscosity and neutral buoyancy. We examine the SiO$_2$ yield by assuming Si+O saturation at the conditions found at the base of a magma ocean and find that for a range of conditions, dispersed bodies could reach as high as 8.5 vol.% in parts of the lower mantle. At such low concentration, their effect on aggregate seismic wavespeeds is within observational seismology uncertainty. However, their presence can account for small-scale scattering in the lower mantle due to the bodies' large velocity contrast. We conclude that the shallow lower mantle (700-1500 km depth) could harbor SiO$_2$ released in early Earth times.

研究の動機と目的

• 核形成後に地球の核から析出したSiO₂が、下部マントルに拡散可能かどうかを調査すること。
• 粘性レイノルズ＝ターナー不安定性がコア-マントル境界でSiO₂ダイアピアを形成する役割を評価すること。
• SiO₂インクルージョンが、高い粘性と中立的浮力のため、マントル内で独立して上昇し、捕らわれる条件を評価すること。
• 分散したSiO₂が下部マントルに達する最大濃度を定量化し、その地球物理学的意味を評価すること。
• このような分散SiO₂が、平均的な地震波速度を著しく変化させることなく、観測された小スケールの地震波散乱を説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• コア-マントル境界における粘性レイノルズ＝ターナー不安定性のモデル化を通じて、SiO₂ダイアピアの形成を模擬する。
• SiO₂とマントル物質との間の粘性対比（100～10,000倍の差）を用いて、ダイアピアの可動性と上昇行動を評価する。
• 密度および温度プロファイルに基づき、下部マントル内でのSiO₂ダイアピアの浮力中立レベルを計算する。
• 異なる熱力学的条件下でのマグマ海洋の底面におけるSi+Oの飽和状態から、SiO₂の生成量を推定する。
• マントル内での速度対比と分布を用いて、分散SiO₂体の地震的影響を評価する。
• 観測地震学的制約を用いて、SiO₂インクルージョンが集約的地震波速度と小スケール散乱に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の核から析出したSiO₂が、浮力により下部マントルを独立して上昇可能であるかどうか、特に初期地球の条件下で。
• RQ2 核からの析出によって、浅い下部マントル（700–1500 km深度）に達する分散SiO₂の最大濃度はどの程度か。
• RQ3 SiO₂とマントル物質との間の粘性対比が、SiO₂ダイアピアの形成と移動に与える影響は。
• RQ4 分散したSiO₂インクルージョンが、下部マントルにおける小スケール地震波散乱をどの程度説明できるか。
• RQ5 最大8.5 vol.%の分散SiO₂が、観測地震学で得られた平均地震波速度に著しく影響を与えるか。

主な発見

• 初期地球の急速な熱損失の条件下では、コア-マントル境界で粘性レイノルズ＝ターナー不安定性によって生成されたSiO₂ダイアピアは、最大約1 kmの直径に達する可能性がある。
• このような条件下では、SiO₂ダイアピアはマントルの流れとは独立して上昇し、高い固有粘性のため、中立的浮力のレベルに捕らわれる。
• マグマ海洋の底面における妥当な飽和条件下では、浅い下部マントル（700–1500 km深度）におけるSiO₂の最大濃度は、最大8.5 vol.%に達する可能性がある。
• この濃度でさえ、集約的地震波速度に与える影響は、観測地震学の不確実性の範囲内に収まる。
• SiO₂インクルージョンの大きな速度対比が、下部マントルで観測された小スケールの地震波散乱を説明できる。
• したがって、浅い下部マントルには、初期地球の核からのSiO₂析出の痕跡が、粘性的捕獲と中立的浮力のため保存されている可能性がある。