Onderzoekers van de Universiteit van Saskatchewan, Canada, samen met hun medewerkers aan de Zhejiang University of Technology, China, en RIKEN Centrum voor Computational Science, Japan, aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het beperken van de leeftijd van de vroege magma-oceanen van de aarde. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Transporteigenschappen zoals diffusie en viscositeit van smelten dicteerden de evolutie van de vroege magma-oceanen van de aarde. In dit werk, de auteurs hebben de drukevolutie van de structuren onderzocht, dichtheden, en transporteigenschappen van een realistisch model basaltsmelt. Dit model basaltsmelt bestond uit CaO, MgO, Al ₂ O ₃ , en SiO ₂ . De berekeningen zijn uitgevoerd met behulp van eerste-principe moleculaire dynamica-simulaties die de druk- en temperatuuromstandigheden van de aardmantel nabootsen. Het onderzoeksteam onder leiding van prof. John S. Tse van het Department of Physics and Engineering Physics aan de Universiteit van Saskatchewan vond afwijkingen in de vorm van omkering van de transporteigenschappen (diffusie en viscositeit) onder de lagere mantelomstandigheden. Deze omkering is toegeschreven aan tijdelijke atomaire interacties bij hoge druk die fluctuerend en fragiel zijn.

De silicium-zuurstof- en aluminium-zuurstofbindingen zijn beslissende factoren die hebben geleid tot de conclusies van de transporteigenschappen. In dit werk, de onderzoekers merkten op dat bij drukken ruwweg boven 50 GPa, de banden worden erg fragiel en blijven na verloop van tijd heel vaak breken. Er is extreem snelle interconversie tussen vijf, zes, en zevenvoudige coördinatie van de silicium- en aluminiumatomen met betrekking tot de zuurstofatomen. Dit fluxgedrag van de bindingen zal naar verwachting de transporteigenschappen wijzigen door de diffusie te verbeteren en de viscositeit bij dat drukbereik te verlagen.

Viscositeit is een zeer belangrijke parameter die vrijwel alle dynamische processen in de vroege magma-oceanen van de aarde regelde. Over het algemeen wordt aangenomen dat magma-oceanen verantwoordelijk zijn voor de vorming van de metalen kern en de silicaatmantel door differentiatie, evenals de atmosfeer en hydrosfeer door ontgassing. Eerder, de tijdschalen van magma-oceaankristallisatie werden gesuggereerd te variëren van duizenden tot miljoenen jaren. Dit aantal is afhankelijk van de viscositeit van het magma. Eerder werd aangenomen dat de viscositeit erg hoog was, waardoor tijdschalen van ~ 100-200 miljoen jaar voor magma-oceanen werden voorspeld. Meer recente studies met verschillende veronderstellingen hebben de tijdschalen van magma-oceanen teruggebracht tot een paar miljoen jaar. Onze berekeningen met de omgekeerde trend bij ~ 50-82 GPa voorspellen de viscositeitsmagnitudes van ~ 0, 1 Pa s voor basaltsmelten onder de meeste lagere mantelomstandigheden. Dit biedt ondersteuning voor de korte tijdschalen van magma-oceanen op een paar miljoen jaar.

"We hebben niet alleen met succes de korte tijdschalen van magma-oceanen beperkt tot een paar miljoen jaar, maar hebben ook een verleidelijke verklaring gegeven voor de horizontale afbuiging van superplumen op ongeveer 1000 km onder het aardoppervlak, " zei John S. Tse.