[论文解读] Persistence of Strong Silica-Enriched Domains in the Earth's Lower Mantle

Maxim Ballmer, Christine Houser+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2018

Methane Hydrates and Related Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究通过地球动力学模拟表明，地球下地幔中富含镁铁硅酸盐后钙钛矿（(Mg,Fe)SiO3-perovskite）的二氧化硅富集区域具有极高的本征黏度（约为原始岩的20倍），使其能够以整体形式持续存在数十亿年。这些稳定且坚固的结构解释了下地幔的非均质性、热点源的固定性以及约1000公里深度附近的地球物理异常现象。

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.

研究动机与目标

• 研究地球下地幔中富含二氧化硅的高黏度区域在长期尺度下的稳定性。
• 评估低镁/硅与原始岩成分之间本征黏度差异是否抑制地幔的大规模混合。
• 将地球物理观测结果（如固定的热点根部和地震异常）与非均质下地幔相协调。
• 评估此类区域是否可在地质时间尺度上保存原始地球化学特征。
• 确定二阶对流模式在稳定古老地幔结构中的作用。

提出的方法

• 采用温度与成分依赖的流变性质的地球动力学数值模拟，以模拟地幔对流。
• 引入富含(Mg,Fe)SiO3-后钙钛矿的区域与原始岩类物质之间约20倍的黏度对比。
• 使用成分分层的初始条件，将低镁/硅区域嵌入原始岩基质中。
• 模拟45亿年的地幔对流，以评估非均质性的长期稳定性。
• 分析流动模式、黏度结构和热演化，以识别稳定的对流模式。
• 将模型输出与地球物理数据进行对比，包括地震层析成像模式以及约1000公里深度附近径向黏度增加的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在地幔对流，下地幔中强韧的二氧化硅富集区域是否能在地质时间尺度上保持整体性？
• RQ2 富含(Mg,Fe)SiO3-后钙钛矿与原始岩类成分之间的黏度差异在多大程度上抑制了大规模混合？
• RQ3 这些区域如何影响地幔对流模式的形态与稳定性？
• RQ4 此类区域在多大程度上可解释地震层析成像中观测到的深地幔上升中心的地理固定性？
• RQ5 这些结构是否可作为保存原始地球化学特征的可行储库？

主要发现

• 本征黏度比原始岩高约20倍的二氧化硅富集区域具有强抗变形能力，在45亿年内保持整体性。
• 这些区域稳定了二阶地幔对流模式，促进了下地幔的长期非均质性。
• 模型预测在1000–2200公里深度存在连贯且稳定的结构，与地球物理观测结果一致。
• 此类区域的存在可解释约1000公里深度附近径向黏度增加及热点与俯冲板块的横向偏移现象。
• 这些结构被称为“富含后钙钛矿的古老地幔结构”（BEAMS），可作为原始地球化学特征的储库。
• 模型成功调和了深地幔上升中心的持久性与下地幔缺乏高效混合之间的矛盾。