[论文解读] Core-exsolved SiO$_2$ dispersal in the Earth's mantle

George Helffrich, Maxim Ballmer+1 more|UCL Discovery (University College London)|Jan 6, 2018

High-pressure geophysics and materials被引用 5

一句话总结

该论文提出，地球早期吸积过程中从地核中分离出的SiO₂可能在下地幔中因浮力上升，形成在核幔边界处分散的包裹体。在早期地球条件下，粘性Rayleigh-Taylor不稳定性产生了SiO₂岩浆舌（最大直径约~1 km），这些岩浆舌独立上升并在中性浮力水平处被捕获，可能在浅部下地幔中达到最高8.5 vol.%的浓度，从而解释了小尺度地震散射现象，而对平均地震波速的影响微乎其微。

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.

研究动机与目标

• 研究地核析出的SiO₂在地核形成后向地幔中分散的可行性。
• 评估粘性Rayleigh-Taylor不稳定性在核幔边界形成SiO₂岩浆舌中的作用。
• 评估SiO₂包裹体在高粘度和中性浮力条件下独立上升并被地幔捕获的条件。
• 量化分散SiO₂在下地幔中可能达到的最大浓度及其地球物理意义。
• 确定此类分散SiO₂是否可解释观测到的小尺度地震散射现象，而不会显著改变整体地震波速。

提出的方法

• 通过模拟核幔边界处的粘性Rayleigh-Taylor不稳定性，以再现SiO₂岩浆舌的形成过程。
• 利用SiO₂与地幔物质之间100至10,000倍的粘度对比，评估岩浆舌的移动性与上升行为。
• 基于密度和温度分布，计算SiO₂岩浆舌在下地幔中达到中性浮力的深度。
• 在不同热力学条件下，估算岩浆海洋底部Si与O饱和条件下的SiO₂产量。
• 通过速度对比和地幔中分布特征，评估分散SiO₂体对地震波的影响。
• 利用观测地震学约束，评估SiO₂包裹体对整体地震波速及小尺度散射的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期地球条件下，地核析出的SiO₂是否能因浮力作用独立上升通过下地幔，尤其是快速散热条件下？
• RQ2 在地幔浅部（700–1500 km深度）中，由地核析出的SiO₂可能达到的最大分散浓度是多少？
• RQ3 SiO₂与地幔物质之间的粘度对比如何影响SiO₂岩浆舌的形成与迁移？
• RQ4 分散SiO₂包裹体在多大程度上可解释下地幔中的小尺度地震散射？
• RQ5 当SiO₂浓度最高达8.5 vol.%时，其存在是否显著影响观测到的平均地震波速？

主要发现

• 在早期地球快速散热条件下，核幔边界处由粘性Rayleigh-Taylor不稳定性形成的SiO₂岩浆舌最大直径可达约~1 km。
• 在这些条件下，SiO₂岩浆舌可独立于地幔流动上升，并因自身高本征粘度而在中性浮力水平处被稳定捕获。
• 在岩浆海洋底部合理饱和条件下，浅部下地幔（700–1500 km深度）中SiO₂的最大浓度可达到约8.5 vol.%。
• 尽管浓度较高，分散SiO₂对整体平均地震波速的影响仍在观测地震学的不确定范围内。
• SiO₂包裹体较大的速度对比可解释下地幔中观测到的小尺度地震散射现象。
• 因此，浅部下地幔可能保存了早期地球从地核中析出的SiO₂残余，其长期稳定归因于粘性捕获与中性浮力机制。