[논문 리뷰] Persistence of Strong Silica-Enriched Domains in the Earth's Lower Mantle

Maxim Ballmer, Christine Houser외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 21.

Methane Hydrates and Related Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 지구의 맨틀 하부에서 규소가 풍부한 (Mg,Fe)SiO3-브리지만나이트가 풍부한 영역이 고내성 점성도(~20배 높음)를 가지며, 수십억 년에 걸쳐 일관되게 유지된다는 것을 지구역학 모델링을 통해 입증한다. 이러한 안정적이고 강력한 구조는 맨틀 하부의 이질성, 플룸 기원의 고정성, 그리고 약 1,000km 깊이 근처의 지구물리학적 이질성을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구의 맨틀 하부에서 규소가 풍부한 고점성 영역의 장기적 안정성을 조사하는 것.
• 저마그네슘/규소와 피로라이트 성분 간 내재된 점성도 대비가 대규모 맨틀 혼합을 얼마나 억제하는지 평가하는 것.
• 고정된 플룸 뿌리와 지진학적 이질성과 같은 지구물리학적 관측 결과를 이질적인 맨틀 하부와 조율하는 것.
• 이러한 영역이 지질학적 시간 척도 동안 원시 지화학적 서명을 유지할 수 있는지 평가하는 것.
• 2차 수준의 대류 패tern이 고대 맨틀 구조의 안정화에 수행하는 역할을 규명하는 것.

제안 방법

• 온도 및 조성에 따라 변화하는 륨성도를 고려한 지구역학 수치 시뮬레이션을 통해 맨틀 대류를 모델링하는 것.
• (Mg,Fe)SiO3-브리지만나이트가 풍부한 영역과 피로라이트 유사 물질 간 점성도 대비(~20배)를 통합하는 것.
• 저마그네슘/규소 영역을 피로라이트 매트릭스에 내장한 조성적으로 분層된 초기 조건을 사용하는 것.
• 45억 년에 걸친 맨틀 대류 시뮬레이션을 통해 이질성의 장기적 안정성을 평가하는 것.
• 유동 패턴, 점성도 구조, 열적 진화를 분석하여 안정된 대류 모드를 식별하는 것.
• 지구물리학적 자료, 특히 지진학적 톰그래피 패턴과 약 1,000km 깊이 근처의 반경 방향 점성도 증가와 모델 결과를 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맨틀 대류가 지속되는 동안에도 규소가 풍부한 고강도 영역이 지질학적 시간 척도 동안 일관성 유지가 가능한가?
• RQ2 (Mg,Fe)SiO3-브리지만나이트가 풍부한 성분과 피로라이트 유사 성분 간 점성도 대비가 대규모 혼합을 얼마나 억제하는가?
• RQ3 이러한 영역은 맨틀 대류 패턴의 형태와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 영역이 지진학적 톰그래피에서 관측된 깊은 맨틀 상승 중심의 지리적 고정성을 설명할 수 있는가?
• RQ5 이러한 구조는 원시 지화학적 서명을 유지하기 위한 타당한 저장소가 될 수 있는가?

주요 결과

• 피로라이트보다 약 20배 높은 점성도를 가지며 내재적으로 강한 규소가 풍부한 영역는 변형에 저항하며 45억 년에 걸쳐 일관성 유지된다.
• 이러한 영역는 2차 수준의 맨틀 대류 패턴을 안정화시켜 맨틀 하부에서 장기적인 이질성을 촉진한다.
• 모델은 1,000–2,200km 깊이에서 일관되고 안정된 구조가 지속된다는 예측을 내놓으며, 지구물리학적 관측 결과와 일치한다.
• 이러한 영역의 존재는 1,000km 깊이 근처에서 반경 방향 점성도 증가와 플룸 및 슬랩의 횡방향 이완을 설명한다.
• 이러한 구조는 '브리지만나이트가 풍부한 고대 맨틀 구조'(BEAMS)로 명명되며, 원시 지화학적 서명의 저장소를 제공한다.
• 모델은 맨틀 하부에서의 지속적인 상승 중심과 효율적인 혼합 부재를 동시에 설명한다.