[논문 리뷰] Core-exsolved SiO$_2$ dispersal in the Earth's mantle

George Helffrich, Maxim Ballmer외 1명|UCL Discovery (University College London)|2018. 01. 06.

High-pressure geophysics and materials인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초기 형성 단계 동안 지구의 핵에서 분리된 SiO₂가 낮은 맨틀을 떠오르게 하여 핵-맨틀 경계에 산재한 포함물질을 형성할 수 있다고 제안한다. 초기 지구 조건 하에서 점성 레일리-테일러 불안정성은 SiO₂ 다이아피어(최대 약 1km 지름)를 만들어내며, 이들은 독립적으로 상승하여 중립 떠오름 수준에 갇히게 된다. 이로 인해 얕은 낮은 맨틀에서 최대 8.5 vol.%까지 분산될 수 있으며, 이는 평균 지구파 속도에 미치는 영향은 미미하지만, 소규모 지구물리적 산란 현상을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

SiO$_2$ may have been expelled from the core directly following core formation in the early stages of Earth's accretion and onwards through the present day. On account of SiO$_2$'s low density with respect to both the core and the lowermost mantle, we examine the process of SiO$_2$ accumulation at the core-mantle boundary (CMB) and its incorporation into the mantle by buoyant rise. Today, if SiO$_2$ is 100-10000 times more viscous than lower mantle material, the dimensions of SiO$_2$ diapirs formed by the viscous Rayleigh-Taylor instability at the CMB would cause them to be swept into the mantle as inclusions of 100 m - 10 km diameter. Under early Earth conditions of rapid heat loss after core formation, SiO$_2$ diapirs of ~1 km diameter could have risen independently of mantle flow to their level of neutral buoyancy in the mantle, trapping them there due to a combination of intrinsically high viscosity and neutral buoyancy. We examine the SiO$_2$ yield by assuming Si+O saturation at the conditions found at the base of a magma ocean and find that for a range of conditions, dispersed bodies could reach as high as 8.5 vol.% in parts of the lower mantle. At such low concentration, their effect on aggregate seismic wavespeeds is within observational seismology uncertainty. However, their presence can account for small-scale scattering in the lower mantle due to the bodies' large velocity contrast. We conclude that the shallow lower mantle (700-1500 km depth) could harbor SiO$_2$ released in early Earth times.

연구 동기 및 목표

• 핵 형성 이후 핵에서 분리된 SiO₂가 낮은 맨틀으로 확산될 수 있는지 탐구하기.
• 점성 레일리-테일러 불안정성이 핵-맨틀 경계에서 SiO₂ 다이아피어를 형성하는 데 미치는 역할 평가하기.
• 높은 점도와 중립 떠오름 조건으로 인해 SiO₂ 포함물질이 독립적으로 상승하고 맨틀 내에 갇힐 수 있는 조건 평가하기.
• 낮은 맨틀 내에서 분산된 SiO₂의 최대 가능 농도를 정량화하고 그 지구물리적 영향 분석하기.
• 이러한 분산된 SiO₂가 관측된 소규모 지구물리적 산란을 설명할 수 있으며, 전체 지구파 속도에 크게 영향을 주지 않는지 확인하기.

제안 방법

• 핵-맨틀 경계에서 점성 레일리-테일러 불안정성을 모델링하여 SiO₂ 다이아피어 형성 시뮬레이션하기.
• SiO₂가 맨틀 물질보다 100~10,000배 높은 점도 대비를 가진다는 점을 활용하여 다이아피어의 이동성과 상승 행동 평가하기.
• 밀도 및 온도 프로파일을 기반으로 낮은 맨틀 내 SiO₂ 다이아피어의 중립 떠오름 수준 계산하기.
• 다양한 열역학 조건 하에서 마그마 오션의 바닥에서 Si와 O의 포화 조건에 따른 SiO₂ 수확량 추정하기.
• 맨틀 내 분포와 속도 대비를 통해 분산된 SiO₂ 덩어리의 지구물리적 영향 평가하기.
• 관측 지구물리학 제약 조건을 활용하여 SiO₂ 포함물질이 집합체 지구파 속도와 소규모 산란에 미치는 영향 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵에서 분리된 SiO₂가 떠오름력으로 인해 초기 지구 조건 하에서 낮은 맨틀을 독립적으로 상승할 수 있는가?
• RQ2 핵에서 분리된 SiO₂가 얕은 낮은 맨틀(700–1500km 깊이)에서 최대 몇 vol.%까지 분산될 수 있는가?
• RQ3 SiO₂와 맨틀 물질 간의 점도 대비가 SiO₂ 다이아피어의 형성과 이동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분산된 SiO₂ 포함물질이 낮은 맨틀 내 소규모 지구물리적 산란을 얼마나 잘 설명할 수 있는가?
• RQ5 최대 8.5 vol.%까지 분산된 SiO₂ 존재가 관측된 지구물리학적 평균 지구파 속도에 크게 영향을 주는가?

주요 결과

• 핵-맨틀 경계에서 점성 레일리-테일러 불안정성에 의해 형성된 SiO₂ 다이아피어는 초기 지구의 빠른 열손실 조건 하에서 최대 약 1km 지름에 이르렀을 수 있다.
• 이러한 조건 하에서 SiO₂ 다이아피어는 맨틀 유동과 독립적으로 상승하며 높은 내재 점도로 인해 중립 떠오름 수준에 갇힐 수 있다.
• 마그마 오션의 바닥에서 타당한 포화 조건 하에서 얕은 낮은 맨틀(700–1500km 깊이) 내 SiO₂ 최대 농도는 최대 8.5 vol.%에 이를 수 있다.
• 이러한 농도에도 불구하고, 분산된 SiO₂가 전체 집합체 지구파 속도에 미치는 영향은 관측 지구물리학의 불확실성 범위 내에 머물러 있다.
• SiO₂ 포함물질의 높은 속도 대비는 낮은 맨틀 내에서 관측된 소규모 지구물리적 산란을 설명할 수 있다.
• 따라서 얕은 낮은 맨틀은 점성에 의한 갇힘과 중립 떠오름으로 인해 핵에서 분리된 초기 지구 SiO₂ 잔여물을 보존하고 있을 수 있다.