A variação no tamanho do grão da bridgmanita é responsável pelo meio

Apr 20, 2024

Nature volume 620, páginas 794–799 (2023)Cite este artigo

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69 Altmétrico

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Um salto de viscosidade de uma a duas ordens de magnitude no manto inferior da Terra, a 800-1.200 km de profundidade, é inferido a partir de inversões geoidais e velocidades de subducção de placas. Este salto é conhecido como salto de viscosidade no meio do manto1,2. O salto de viscosidade no meio do manto é um componente chave da dinâmica e evolução do manto inferior porque desacelera a subducção da placa3, acelera a subida da pluma4 e inibe a mistura química5. No entanto, como as transições de fase dos principais minerais do manto inferior não ocorrem nesta profundidade, a origem do salto de viscosidade permanece desconhecida. Aqui mostramos que as rochas enriquecidas com bridgmanita no manto inferior profundo têm um tamanho de grão que é mais de uma ordem de grandeza maior e uma viscosidade que é pelo menos uma ordem de grandeza maior que a das rochas pirolíticas sobrejacentes. Este contraste é suficiente para explicar o salto de viscosidade no meio do manto1,2. O rápido crescimento das rochas enriquecidas com bridgmanita no estágio inicial da história da Terra e a alta viscosidade resultante são responsáveis ​​pela sua preservação contra a convecção do manto . A alta proporção de Mg:Si do manto superior em relação aos condritos8, as razões isotópicas anômalas 142Nd:144Nd, 182W:184W e 3He:4He em magmas de ponto quente9,10, a deflexão da pluma4 e a estagnação da placa no manto médio3 também como as observações esparsas de anisotropia sísmica11,12 podem ser explicadas pela preservação a longo prazo de rochas enriquecidas com bridgmanita no manto inferior profundo, promovida pelo seu rápido crescimento de grãos.

O manto inferior da Terra consiste em bridgmanita como fase mineral mais abundante, seguida por ferropericlásio e davemaoíta como segunda e terceira fases, respectivamente. Experimentos de fusão e solidificação de silicato demonstram que a bridgmanita é a primeira fase a cristalizar a partir de um oceano de magma nos estágios iniciais da história da Terra. Devido à cristalização fracionada15, rochas enriquecidas com bridgmanita com baixa proporção de ferropericlásio (Xfpc <5–10%) foram formadas a mais de 1.000 km de profundidade, evoluindo para rochas pirolíticas (ou peridotíticas) com Xfpc relativamente alto (≈20%) em profundidades mais rasas, enquanto o conteúdo de davemaoíta é menor que o de ferropericlásio ou mesmo ausente no manto inferior profundo . As rochas enriquecidas com bridgmanita poderiam ser preservadas até os dias atuais sem mistura por convecção do manto5,6,7,17 ​​como demonstrado pelos atuais perfis sísmicos e de densidade do manto, ambos os quais concordam bem com composições pirolíticas no manto inferior raso e bridgmanita- rochas enriquecidas nas regiões mais profundas18,19,20,21. Um manto inferior profundo enriquecido com bridgmanita também é suportado pelo cruzamento de densidade entre a bridgmanita e a ferropericlásio - isto é, as rochas enriquecidas com bridgmanita são mais densas que as rochas pirolíticas no manto médio .

Anteriormente, considerou-se que a bridgmanita é reologicamente mais forte que a ferropericlase . Assim, as rochas enriquecidas com bridgmanita podem ter uma viscosidade mais elevada do que as das rochas pirolíticas, o que pode levar a um aumento na viscosidade com a profundidade. O aumento da resistência do ferropericlásio com a pressão e a transição do spin do ferro também podem causar aumento na viscosidade. No entanto, usar esses cenários para explicar um aumento na viscosidade de uma a duas ordens de grandeza requer uma estrutura interconectada de ferropericlase (reologia do manto inferior controlada por ferropericlase)5,22, o que é improvável porque a condutividade elétrica do manto inferior é comparável à o da bridgmanita27,28, mas três ordens de grandeza menor que o da ferropericlase27. Em particular, a modelagem atômica recente mostra que a periclásio tem uma taxa de fluência mais lenta do que a da bridgmanita sob condições de manto, enquanto experimentos de deformação sugerem que a bridgmanita tem uma taxa de fluência idêntica à do pós-espinélio (70% de bridgmanita + 30% de ferropericlásio); ambas as descobertas indicam uma reologia do manto inferior controlada pela bridgmanita. Além disso, foi proposto que as vacâncias de oxigênio na bridgmanita formadas pelas substituições de Si4+ por Al3+ e Fe3+ causam um aumento na resistência da bridgmanita com a profundidade31,32,33. No entanto, Al3+ e Fe3+ têm maior probabilidade de formar FeAlO3 na bridgmanita34. Além disso, a contribuição da davemaoíta para a reologia do manto inferior também deve ser limitada devido à sua baixa fração volumétrica (e, portanto, sem interconexão) , embora a davemaoíta seja reologicamente mais fraca que a bridgmanita .