[논문 리뷰] Water-induced buoyancy controls transient water storage in the mantle transition zone

Taras V. Gerya, Nickolas Moccetti Bardi외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 14.

High-pressure geophysics and materials인용 수 0

한 줄 요약

본 연구는 2D THMC 시뮬레이션을 사용한 새로운 심층 수화 맨틀 용융 모델을 통해 수분 유도 부력으로 MTZ에서 수화 맨틀 상승이 일어나고, 표면 해양 질량에 영향을 미칠 수 있는 일시적 수분 저장을 생성할 수 있음을 보인다.

ABSTRACT

The spinel phase (wadsleyite, ringwoodite) in the mantle transition zone (MTZ), can contain up to 1-2 weight percent of water. However, whether these water reservoirs in the MTZ are filled is debated. Here, we investigate water dynamics in the MTZ numerically by using a newly developed empirical model of deep hydrous mantle melting combined with 2D thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) upper mantle models. Numerical modeling results suggest that water-induced buoyancy triggers the development of hydrous solid-state mantle upwellings in the MTZ. On time scales of some tens of millions of years, they rise to and interact with the spinel-olivine phase transition. Depending on the water content and temperature of these thermal-chemical plumes, this crossing may trigger hydrous melting by water release from the wadsleyite upon its conversion to olivine. The melts are less dense than the solid matrix and continue rising upward in the form of either diapirs or porosity waives. Similar dehydration-induced melting process3 is also documented for the lower MTZ boundary, where hydrous downwellings (such as subducted slabs) generate buoyant melt diapirs rising through the MTZ. We therefore suggest that the MTZ operates as a transient water reservoir. Relatively small amounts of water (less than 0.1 weight percent, smaller than 0.2 ocean masses) and a geologically moderate duration (80-430 Myr) of the transient water storage should be characteristic for the MTZ, which may play a key role in stabilizing the surface ocean mass on Earth and Earth-like rocky exoplanets.

연구 동기 및 목표

• 현실적인 맨틀 역학 하에서 MTZ의 물저장이 채워지는지 여부를 조사한다.
• MTZ에서 수분 함량과 온도가 부력에 의해 구동되는 맨틀 상승에 어떤 영향을 주는지 평가한다.
• 수화된 플룸의 스피넬–올리빈상의 상전이 및 잠재적 용융과의 상호작용을 탐구한다.

제안 방법

• 깊은 수화 맨틀 용융의 새로운 경험적 모델을 개발한다.
• 2D 열-수-역학-화학(THMC) 맨틀 모델을 구현한다.
• MTZ에서 물 역학 및 부력 구동 상승을 시뮬레이션한다.
• 무다이사이트로부터의 물이 올리빈으로의 전이 시 용융을 유발하는 조건을 분석한다.
• MTZ 하부 경계 및 하강한판에서 탈수 유발 용융 과정과의 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MTZ 저수지의 물 함량이 부력 구동 상승을 만들어 스피넬–올리빈 전이까지 도달하는지 여부?
• RQ2 상전이 시 무다이사이트로부터의 물 방출이 수화 용융을 촉발하고 부력성 용융을 만들어내는지?
• RQ3 일시적 MTZ 물 저장과 관련된 시간 규모와 물 예산은 무엇인가?
• RQ4 소량의 물 함량이 MTZ 플룸의 안정성 및 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 물에 의해 부력이 유도되어 MTZ에서 수화 고체상 맨틀 상승이 일어난다.
• 수천만 년에 걸쳐 이 플룸들이 스피넬–올리빈 상전과 교차하게 되어 무다이사이트로부터 물이 방출되면 수화 용융이 촉발될 수 있다.
• 생성된 용융은 고체 매트릭스보다 밀도가 작아 다이아피르나 다공질 파동으로 상승한다.
• 하강하는 수화하강운동(예: 하강한판)은 MTZ의 하부 경계를 지나 상승하는 부력성 용융 다이아피르를 생성할 수 있다.
• MTZ는 소량의 물 함량과 수십~수백만 년의 기간 정도의 일시적 물 저장고로 작동할 수 있다.