In een onlangs gepubliceerd artikel in Aardse en planetaire wetenschapsbrieven , onderzoekers van het Geodynamics Research Center, Ehime University en de University of Lille combineren numerieke modellering van dislocatieglijding en resultaten van diffusie-experimenten om de reologie van wadsleyiet opnieuw te bekijken, ringwoodiet en majorietgranaat onder geologische spanningssnelheden over de overgangszone van de aardmantel op basis van theoretische plasticiteitsmodellering.

Ondanks dat het bestaat uit vaste rotsen, de aardmantel, die zich uitstrekt tot een diepte van ~ 2890 km onder de korst, ondergaat convectieve stroming door warmte uit het binnenste van de aarde te verwijderen. Dit proces omvat massaoverdracht door subductie van koude tektonische platen van en het opstijgen van hete pluimen naar het aardoppervlak, verantwoordelijk voor veel grootschalige geologische kenmerken, zoals aardbevingen en vulkanisme. Door een combinatie van eerdere seismologische en minerale fysica studies, het is algemeen bekend dat de aardmantel (mineralogisch) is verdeeld in twee grote regimes:de bovenste en de onderste mantel, gescheiden door de 'overgangszone, ' een grenslaag tussen ~410 en ~660 km diepte. Deze overgangszone beïnvloedt de mate van convectie van de hele mantel door de massaoverdracht tussen de bovenste en onderste mantel te regelen. Seismische tomografiestudies (CT-scanbeeldvorming van het binnenste van de aarde met behulp van seismische golven) hebben eerder aangetoond dat hoewel sommige platen door de overgangszone dringen, andere lijken te stagneren, hetzij binnenin, hetzij juist daaronder. De reden is onduidelijk en de dynamiek van de aardmantel over de overgangszone blijft slecht beperkt vanwege het gebrek aan begrip van de mechanische eigenschappen.

Deze mechanische eigenschappen zijn afhankelijk van het vermogen van mineralen om langzame plastische vervorming te ondergaan als reactie op een lage mechanische spanning, genaamd 'kruip, ' wordt meestal beschreven door een parameter die bekend staat als 'viscositeit'. De dynamiek van de bovenmantel is gebaseerd op plastische vervorming van het hoofdbestanddeel, Mg ₂ SiO ₄ olivijn. De eerste ~300 km van de bovenmantel wordt gekenmerkt door een sterke richtingsafhankelijkheid van de snelheid van seismische golven, bekend als "seismische anisotropie." Daarom, algemeen wordt aangenomen dat "dislocatiekruip" - een vervormingsmechanisme dat roosterrotatie en kristallografische voorkeursoriëntaties (CPO) induceert in elastisch anisotrope mineralen als olivijn - bijdraagt ​​​​aan de algehele vervorming van de bovenmantel. Dislocatiekruip is een intrakristallijn vervormingsmechanisme dat verantwoordelijk is voor het transport van kristalafschuiving, gemedieerd door lineaire defecten die 'dislocaties' worden genoemd. Het is een samengesteld vervormingsmechanisme dat zowel het glijden van dislocaties langs een aantal specifieke kristalrichtingen en -vlakken als een door diffusie gemedieerde klim uit hun glijvlakken kan inhouden. Inderdaad, recente numerieke simulaties van Boioli et al. (2015) hebben aangetoond dat vervorming van Mg ₂ SiO ₄ olivijnkristallen worden opgevangen door het Weertman-type dislocatiekruip onder relevante bovenmantelomstandigheden, waar het beklimmen van dislocaties het herstel van dislocatieknooppunten mogelijk maakt, waardoor plastische spanning efficiënt kan worden geproduceerd door dislocatieglijden.

Het betreden van de mantelovergangszone voorbij ~ 410 km diepte met toenemende druk (P) en temperatuur (T), olivijn transformeert eerst in zijn hoog-P polymorf wadsleyiet en bij ~520 km in ringwoodiet. Het blijft onduidelijk of vervormingsprocessen van deze compactere structuren van de hoge-P-polymorfen van olivijn vergelijkbaar zijn met die van olivijn (Ritterbex et al. 2015; Ritterbex et al. 2016). Om deze vraag te beantwoorden, onderzoekers van de plasticiteitsgroep aan de Universiteit van Lille en het Geodynamics Research Center van de Ehime University combineerden numerieke simulaties van thermisch geactiveerde dislocatie-glijbewegingen samen met resultaten van experimentele diffusiegegevens, en aantonen dat, in tegenstelling tot olivijn bij bovenmantelomstandigheden, dislocatie klimsnelheden zijn groter dan die van glijden in de hoge-P polymorfen van olivijn, het induceren van een overgang van het vervormingsmechanisme in het dislocatiekruipregime van Weertman-kruip naar pure klimkruip bij geologisch relevante spanningen. Gebaseerd op plasticiteitsmodellering en beperkt door diffusiegegevens van experimenten, het huidige onderzoek kwantificeert de vervorming in stabiele toestand van de belangrijkste overgangszonemineralen wadsleyiet, ringwoodiet en majoriet-granaat als functie van de korrelgrootte.

Deze modelleringen kunnen een aantal belangrijke kenmerken verklaren die verband houden met de mantelovergangszone. Het is aangetoond dat intrakristallijne plasticiteit van wadsleyiet, ringwoodiet en majorietgranaat door pure klimkruip bij geologische spanningen leidt tot een equiviskeuze overgangszone van 10 ^(21±1) Pa.s als de korrelgrootte ~0,1 mm of groter is, die goed overeenkomen met de beschikbare geofysische gegevens over het omgekeerde oppervlak die doorgaans worden gebruikt om de reologische eigenschappen van de aardmantel te beperken. Aangezien pure klimkruip geen roosterrotatie induceert en geen CPO kan produceren, vervorming van de overgangszone door dit mechanisme is compatibel met de relatieve seismische isotropie in vergelijking met de bovenmantel. De onderzoekers ontdekten ook dat CPO zich samen met stressconcentraties kan ontwikkelen door de activering van Weertman-kruip, bijvoorbeeld in hoekstromen rond koudverzinkende platen, iets dat een verhoging van de subductieweerstand zou kunnen veroorzaken, verklaren waarom sommige platen vastlopen aan de voet van de overgangszone. Anderzijds, viscositeitsverminderingen worden voorspeld als de korrels kleiner zijn dan ~0,1 mm wanneer de silicaten in de overgangszone vervormen door pure atomaire diffusie, gewoonlijk aangeduid als "diffusiekruip, " die mogelijk de stromingsdynamiek in het interieur van koudverzinkende platen of over faseovergangen kan beïnvloeden.

Toekomstige opname van deze vervormingsmechanismen als een functie van de korrelgrootte in geodynamische convectiemodellen zou ons begrip van de interactie tussen de bovenste en onderste mantel moeten verbeteren en zal naar verwachting nuttig zijn bij het beperken van de geochemische evolutie van de aarde.