[논문 리뷰] 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|2009. 11. 17.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 지구의 D" 층에서 고압 고온 조건에서 MgSiO3가 후기퍼옥시드라이트 상으로 전이됨을 이론적이고 실험적으로 입증하며, 이는 전단파 이방성과 파동이 뒤틀리는 전단파 불연속성과 같은 지구물리적 이면을 설명한다. CaIrO3와 구조적으로 유사한 후기퍼옥시드라이트 상은 하부 맨틀에서의 핵심 지구물리적 관측 결과를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 퍼옥시드라이트 광물학으로는 설명할 수 없는 지구 하부 맨틀(D" 층)의 지구물리적 관측 결과 간의 불일치를 해결하기 위해.
• D" 층과 관련된 고압 고온 조건에서 MgSiO3의 상 안정성에 대해 연구하기 위해.
• D" 조건에서 MgSiO3의 후기퍼옥시드라이트 상이 존재할 수 있으며, 관측된 지구물리적 이면을 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 후기퍼옥시드라이트 상의 탄성 특성과 전단파 이방성 및 불연속성과 같은 지구물리적 관측 결과를 연결하기 위해.

제안 방법

• 고압 고온 조건에서 MgSiO3의 상 안정성과 탄성 특성을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 아비누이로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 다중 압력기계를 사용하여 후기퍼옥시드라이트 상을 합성하고 특성을 분석하는 고압 실험을 수행하였다.
• 계산된 탄성 상수와 이방성 특성을 D" 층의 관측된 지구물리적 데이터와 비교하였다.
• X선 회절을 이용한 구조 분석을 통해 MgSiO3에서 CaIrO3 유형의 후기퍼옥시드라이트 구조를 확인하였다.
• 지구 하부 맨틀와 관련된 조건에서 후기퍼옥시드라이트 상의 안정성 영역을 매핑하였다.
• 지구물리적 불연속성 표면 형태와 속도 대비를 분석하여 상 경계 행동과 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 D" 층의 압력과 온도 조건에서 MgSiO3가 후기퍼옥시드라이트 구조를 취할 수 있는가?
• RQ2 후기퍼옥시드라이트 상의 탄성 특성은 퍼옥시드라이트와 비교하여 어떻게 다른가? 그리고 이는 지구내부 전단파 이방성을 어떻게 설명하는가?
• RQ3 후기퍼옥시드라이트 상은 D" 층 상부에서 관측된 뒤틀린 전단파 불연속성을 설명할 수 있는가?
• RQ4 하부 맨틀에서 후기퍼옥시드라이트 MgSiO3의 열역학적 안정성 영역이 존재하는가?
• RQ5 D" 층에서 전단파와 부피파 속도 간의 반비례 관계는 후기퍼옥시드라이트 존재로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• MgSiO3는 D" 층 조건(압력 > 130 GPa, 온도 ~2000 K)에서 CaIrO3 유형의 후기퍼옥시드라이트 상으로 전이된다.
• 후기퍼옥시드라이트 상은 강한 탄성 이방성을 나타내며, D" 층에서 관측된 지구물리적 이방성과 일치한다.
• 계산된 후기퍼옥시드라이트 상의 안정성 영역은 D" 층의 깊이 및 압력 범위와 일치하여 지질학적 관련성을 뒷받침한다.
• 퍼옥시드라이트와 후기퍼옥시드라이트 상 사이의 상 경계는 강하게 뒤틀린 불연속성을 유도할 것으로 예측되며, 이는 관측된 지구물리적 불연속성과 일치한다.
• 후기퍼옥시드라이트 상은 D" 층에서 관측된 전단파와 부피파 속도 간의 반비례 관계를 설명한다.
• MgSiO3에서 후기퍼옥시드라이트 상의 실험적 합성이 지구 하부 맨틀와 관련된 고압 조건에서의 안정성을 확인한다.