亚利桑那州立大学的研究人员发现了地球深处的新矿物学

亚利桑那州立大学的研究人员发现了地球深处的新矿物学

2022 年 10 月 19 日

地球的结构是什么? 首先,它由几层组成:地壳、上下地幔和地核。

地幔构成了地球体积的大部分——84%。 下地幔占地球体积的 55%; 它也比上地幔更热、密度更大。
灰色、金字塔状结构和蓝色和黄色球体的混合物,代表在地球下地幔中发现的矿物。
地幔钙钛矿的原子尺度晶体结构。 从左到右:Bridgmanite(富含镁)、含有镁和钙的新地幔钙钛矿、Davemaoite(富含钙)。 信用:晶体结构图片由 Dan Shim 提供; 背景图片由 iStock/Getty Images 提供。
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下地幔在地球演化中发挥了重要作用,包括地球如何在数十亿年中冷却,物质如何循环,以及水如何在地质时间尺度上储存和运输到内部深处。

七十多年来,人们对下地幔的矿物学进行了广泛研究。 数十年的研究,包括实验室实验、计算模拟和对深层钻石中包裹体的研究,得出了下地幔由三种主要矿物组成的结论:布里奇曼岩、方镁石和戴维茂岩。

在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中,一组科学家 – 包括亚利桑那州立大学前博士生、现在密歇根州立大学博士后研究员 Byeongkwan Ko 和亚利桑那州立大学地球学院教授 Dan (Sang-Heon) Shim 和ASU 的 Space Exploration 和 Navrotsky 材料研究教授完成了一项新的高压实验,该实验采用了一些不同的加热方式,以揭示存在于下地幔中的额外矿物。

在这三种主要矿物中,两种矿物——bridgmanite 和 davemaoite——都具有所谓的钙钛矿型晶体结构。 这种结构在物理、化学和材料工程中也广为人知,因为一些具有钙钛矿型结构的材料已显示出超导性。

在较浅的深度,具有相似晶体结构的矿物通常会合并并成为单一矿物,通常是在高温环境下。 例如,透辉石矿物透辉石既有钙又有镁,在地壳中是稳定的。 然而,尽管结构相似,但现有研究表明,富含钙的达维茂岩和富含镁的布里奇曼岩在整个下地幔中保持分离。

“为什么戴维茂石和布里奇曼石没有合并为一个,尽管它们具有非常相似的原子尺度结构? 二十多年来,这个问题一直让研究人员着迷,”Shim 说。 “已经进行了许多尝试来寻找这两种矿物合并的条件,但实验的答案始终是两种不同的矿物。 在这里,我们觉得我们需要一些新的实验想法。”

新实验是研究小组尝试各种加热技术来比较方法的机会。 他们没有在传统的高压实验中缓慢升高温度,而是非常快速地将温度升高到与下地幔相关的高温,达到 3,000 到 3,500 度 华氏度 一秒钟内。 原因是一旦两种钙钛矿结构的矿物形成,即使它们进入单一钙钛矿矿物应该稳定的温度条件,它们也很难合并。

通过将样品快速加热到目标温度,Ko 和 Shim 能够避免在低温下形成两种钙钛矿结构矿物。 一旦达到下地幔的温度,他们就会使用高级光子源的 X 射线束在 15 到 30 分钟内监测矿物的形成。 他们发现只有单一的钙钛矿矿物形成,这在之前的实验中是出乎意料的。 他们发现,在高于 3,500 F 的足够高的温度下,达维茂石和布里奇曼石成为钙钛矿型结构中的单一矿物。

“人们认为钙和镁之间的大尺寸差异,分别是达维茂石和布里奇曼石的主要阳离子,应该会阻碍这两种矿物的融合,”Ko说。 “但我们的研究表明,它们可以克服炎热环境中的这种差异。”

实验表明,温度足够高的较深的下地幔应该具有与较浅的下地幔不同的矿物学特征。 由于地幔在地球早期要温暖得多,该小组的新结果表明,当时大部分下地幔都有一种钙钛矿结构矿物,这意味着矿物学与今天的下地幔不同。

这一新观察结果对我们对地球深处的理解产生了一系列重大影响。 许多地震观测表明,较深的下地幔性质与较浅的下地幔不同。 据报道,这些变化是渐进的。 研究小组的实验表明,布里奇曼岩和达维茂岩的合并是渐进的。 此外,含有三种主要矿物——布里奇曼岩、方镁石和戴维茂岩——的岩石的性质与更深的下地幔的性质不匹配。 Ko 和合作者预测,这些未解决的问题可以用一种新的单一钙钛矿结构矿物合并来解释。

这项研究的其他贡献作者是芝加哥大学的 Eran Greenberg; Vitali Prakapenka,芝加哥大学; E. Ercan Alp,阿贡国家实验室; Wenli Bi,阿拉巴马大学伯明翰分校; 孟岳,阿贡国家实验室; 张东洲,芝加哥大学和夏威夷大学马诺分校。

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