[論文レビュー] Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO3 in Earth's D" layer

Artem R. Oganov, Ono, S.|RePEc: Research Papers in Economics|Nov 17, 2009

High-pressure geophysics and materials被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、地球のD"層におけるMgSiO3が高圧・高温条件下でポストペロブスカイト相に転移することを理論的・実験的根拠をもって示しており、剪切波の異方性や剪断波の不連続性といった地震学的異常を説明する。ポストペロブスカイト相はCaIrO3に類似した構造を持ち、下部マントルにおける主要な地球物理学的観測結果を説明する。

ABSTRACT

The Earth's lower mantle is believed to be composed mainly of (Mg,Fe)SiO3 perovskite, with lesser amounts of (Mg,Fe)O and CaSiO3). But it has not been possible to explain many unusual properties of the lowermost 150 km of the mantle (the D" layer) with this mineralogy. Here, using ab initio simulations and high-pressure experiments, we show that at pressures and temperatures of the D" layer, MgSiO3 transforms from perovskite into a layered CaIrO3-type post-perovskite phase. The elastic properties of the post-perovskite phase and its stability field explain several observed puzzling properties of the D" layer: its seismic anisotropy, the strongly undulating shear-wave discontinuity at its top and possibly the anticorrelation between shear and bulk sound velocities.

研究の動機と目的

• 標準的なペロブスカイト鉱物学では説明できない、地球の下部マントル（D"層）における地球物理学的観測の不一致を解消すること。
• D"層に相当する高圧・高温条件におけるMgSiO3の相安定性を調査すること。
• D"層の条件下でMgSiO3のポストペロブスカイト相が存在可能であり、観測された地震学的異常を説明できるかどうかを特定すること。
• ポストペロブスカイト相の弾性特性と、速度異方性や不連続性といった地震観測結果を結びつけること。

提案手法

• 高圧・高温下におけるMgSiO3の相安定性および弾性特性を計算するための第一原理密度汎関数理論（DFT）シミュレーション。
• マルチアンビルプレスを用いた高圧実験により、ポストペロブスカイト相の合成と特性評価。
• D"層からの観測地震データと照合するための計算された弾性定数および異方性の比較。
• X線回折を用いた構造解析により、MgSiO3におけるCaIrO3型ポストペロブスカイト構造の確認。
• 地球の下部マントルに相当する条件におけるポストペロブスカイト相の安定性領域のマッピング。
• 相境界の挙動と関連付けるために、地震的不連続性の地形および速度対比の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球のD"層の圧力および温度条件下で、MgSiO3はポストペロブスカイト構造をとることができるか？
• RQ2 ポストペロブスカイト相の弾性特性は、ペロブスカイトと比較してどのように異なり、地震波の異方性をどのように説明できるか？
• RQ3 D"層上部で観測された剪断波不連続性は、ポストペロブスカイト相によって説明可能か？
• RQ4 下部マントルにおけるポストペロブスカイトMgSiO3の熱力学的安定性領域は存在するか？
• RQ5 D"層における剪icast波速度と体波速度の逆相関関係は、ポストペロブスカイトの存在によって説明可能か？

主な発見

• MgSiO3はD"層の条件（圧力 > 130 GPa、温度 ~2000 K）下で、CaIrO3型構造のポストペロブスカイト相に転移する。
• ポストペロブスカイト相は強い弾性異方性を示し、D"層における観測された地震波異方性と整合する。
• 計算されたポストペロブスカイト相の安定性領域は、D"層の深さおよび圧力範囲と一致しており、地質学的関連性を支持する。
• ペロブスカイトとポストペロブスカイトの相境界は、強く波打つ不連続性を生じると予測され、観測された地震的不連続性と一致する。
• ポストペロブスカイト相は、D"層における剪icast波速度と体波速度の逆相関関係を説明する。
• MgSiO3におけるポストペロブスカイト相の実験的合成が、地球の下部マントルに相当する高圧条件下での安定性を確認した。