[論文レビュー] Persistence of Strong Silica-Enriched Domains in the Earth's Lower Mantle

Maxim Ballmer, Christine Houser+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2018

Methane Hydrates and Related Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、地球の下部マントルに存在するケイ酸塩を豊富に含み、(Mg,Fe)SiO3-ブリガーマイトを多く含む領域が、ピロライトよりも約20倍高い固有の流れ抵抗性（粘性度）を示し、数十億年にもわたって一貫して存在できることを、地球動態モデルを用いて示した。これらの安定的で強固な構造は、深部マントルの不均一性、プルーム源の固定性、および約1,000 km深度付近の地球物理学的異常を説明する。

ABSTRACT

The composition of the lower mantle $-$ comprising 56% of Earth's volume $-$ remains poorly constrained. Among the major elements, Mg/Si ratios ranging from $\sim$0.9$-$1.1, such as in rocky solar-system building blocks (or chondrites), to $\sim$1.2$-$1.3, such as in upper-mantle rocks (or pyrolite), have been proposed. Geophysical evidence for subducted lithosphere deep in the mantle has been interpreted in terms of efficient mixing and thus homogeneous Mg/Si across most of the mantle. However, previous models did not consider the effects of variable Mg/Si on the viscosity and mixing efficiency of lower-mantle rocks. Here, we use geodynamic models to show that large-scale heterogeneity with viscosity variations of $\sim$20$ imes$, such as due to the dominance of intrinsically strong (Mg,Fe)SiO$_3-$bridgmanite in low-Mg/Si domains, are sufficient to prevent efficient mantle mixing, even on large scales. Models predict that intrinsically strong domains stabilize degree-two mantle-convection patterns, and coherently persist at depths of $\sim$1,000$-$2,200 km up to the present-day, separated by relatively narrow up-/downwelling conduits of pyrolitic material. The stable manifestation of such "bridgmanite-enriched ancient mantle structures" (BEAMS) may reconcile the geographical fixity of deep-rooted mantle-upwelling centers, and fundamental geophysical changes near 1,000 km depth (e.g. in terms of seismic-tomography patterns, radial viscosity increase, lateral deflections of rising plumes and sinking slabs). Moreover, these ancient structures may provide a reservoir to host primordial geochemical signatures.

研究の動機と目的

• 地球の下部マントルに存在するケイ酸塩を豊富に含み、高粘性の領域の長期的安定性を調査すること。
• 低Mg/Siとピロライト成分の間の固有の粘性度の違いが、マントルの大規模な混合をどの程度抑制するかを評価すること。
• 固定されたプルーム源や地震波トモグラフィーによる異常といった地球物理学的観測結果を、不均一な下部マントルと一致させること。
• このような領域が、地質的スケールで原始的な地球化学的特徴を保持できるかを評価すること。
• 2次の対流パターンが古代マントル構造の安定化に果たす役割を特定すること。

提案手法

• 温度および組成に依存する流れ抵抗性（リオロジー）を用いた、マントル対流をモデル化する地球動態数値シミュレーション。
• (Mg,Fe)SiO3-ブリガーマイトを多く含む領域とピロライトに類似した物質との間の粘性度差（約20倍）の組み込み。
• 低Mg/Si領域をピロライトマトリックスに埋め込んだ、組成的に分層した初期条件の使用。
• 45億年間にわたるマントル対流のシミュレーションにより、不均一性の長期的安定性を評価。
• 流れのパターン、粘性度構造、熱的進化の分析により、安定した対流モードを特定。
• モデル出力結果を、地震波トモグラフィーのパターンや、約1,000 km深度付近での径方向の粘性度の増加といった地球物理的データと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マントル対流の影響を受けても、ケイ酸塩を豊富に含み、強固な下部マントル領域が、地質的スケールで一貫性を保って存在し続けることができるか？
• RQ2 (Mg,Fe)SiO3-ブリガーマイトを多く含む成分とピロライトに類似した成分との間の粘性度差が、マントルの大規模な混合をどの程度抑制するか？
• RQ3 これらの領域は、マントル対流パターンの形態と安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 このような領域が、地震波トモグラフィーで観測される深部マントル上昇流中心の地理的固定性を説明できるか？
• RQ5 これらの構造が、原始的な地球化学的特徴を保存する有効な貯留庫を提供できるか？

主な発見

• ピロライトよりも約20倍高い粘性度を示す、固有に強固なケイ酸塩豊富な領域は、変形を抵抗し、45億年間にわたって一貫性を保って存在する。
• これらの領域は2次対流パターンを安定化させ、下部マントルにおける長期的な不均一性を促進する。
• モデルは、1,000–2,200 kmの深さにわたり、一貫性があり安定した構造が存在し続けると予測しており、地球物理学的観測結果と整合的である。
• このような領域の存在は、約1,000 km深度付近での径方向の粘性度増加およびプルームやスラブの横方向のずれを説明する。
• これらの構造は「ブリガーマイトを豊富に含む古代マントル構造（BEAMS）」と呼ばれるが、原始的な地球化学的特徴の貯留庫を提供する。
• モデルは、深部マントル上昇流中心の持続性と、下部マントルにおける効率的でない混合の欠如を両立させている。