Onderzoekers van de Ehime University hebben de geluidssnelheid van MgSiO . gerapporteerd ₃ Majorite granaat tot een druk van 18 gigapascal en temperatuur tot 2, 000 Kelvin. Hun resultaten leiden tot inzicht in de minerale samenstelling van de overgangszone van de aardmantel (MTZ), die nog niet helemaal is opgehelderd. Deze studie suggereert dat een mechanisch mengsel van plaat- en mantelgesteenten, in plaats van geëquilibreerde rotsen, is waarschijnlijker een verklaring voor seismologische waarnemingen in de hele MTZ.

Silicaatgranaten zijn belangrijke gesteentevormende mineralen die een belangrijk deel uitmaken van de aardkorst en de bovenmantel. Er zijn veel soorten silicaatgranaten die zijn samengesteld uit een verscheidenheid aan combinaties van verschillende elementen:silicaat, magnesium, aluminium, calcium enz. Onder silicaatgranaten, die majoritische granaten worden genoemd, zijn granaten verrijkt met silicium die zich uitsluitend vormen op diepten onder ~300 km, wanneer pyroxenen, een ander mineraal gevonden in de aardkorst en de bovenmantel, geleidelijk oplossen in granaten uit ondiepere diepten. Al in 2008 een experimentele studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur door Irifune et al. aangetoond dat pyroliet, bestaande uit ~40 vol.% majoritisch granaat en ~60 vol.% olivijn (soorten silicaatmineralen, (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ ), is de meest representatieve rotssamenstelling op een diepte van ~560 km in de MTZ. Er is, echter, nog steeds enige controverse over het bovenste deel van de MTZ, onder de discontinuïteit van 410 km, en in de diepere MTZ, boven de discontinuïteit van 660 km, waar minerale fysica-gegevens de steile seismische snelheidsgradiënten die worden waargenomen door wereldwijde seismische studies niet kunnen verklaren.

Er zijn verschillende hypothesen voorgesteld om dergelijke discrepanties te verklaren, onder hen, het idee van variaties in chemische samenstelling in mantelgranaten is in populariteit toegenomen. Vanwege de contrasterende verschillen in de bulksamenstelling van mantel- en plaatlithologieën, de chemische samenstelling van majoritisch granaat zal waarschijnlijk over de hele wereld aanzienlijk variëren, afhankelijk van de geologische geschiedenis van elke subductiezone. Het interpreteren van dergelijke seismische waarnemingen in termen van granaatcomposities, echter, vereist een nauwkeurige kennis van de thermo-elastische eigenschappen van de granaateindstukken in een breed druk- en temperatuurbereik.

MgSiO ₃ majoriet is het belangrijkste eindlid van de siliciumrijke majoritische granaatfamilie en een belangrijk onderdeel van majoritische granaten. Kennis van zijn thermo-elastische eigenschappen is daarom van primair belang om nauwkeurig de seismische snelheden van majoritisch granaat over een breed drukbereik af te leiden, temperatuur en chemische samenstellingen. Maar, omdat deze fase alleen stabiel is in een smal drukbereik, tussen ~16 en 22 GPa, en temperaturen hoger dan ~1800 K, het uitvoeren van dergelijke metingen was een uitdaging en daarom zijn de geluidssnelheden bij gelijktijdige hoge druk en hoge temperatuur nooit bepaald.

Ondanks deze moeilijkheden, onderzoekers van Ehime hebben met succes de longitudinale (VP) en shear (VS) snelheden gemeten, evenals de dichtheid van MgSiO ₃ meerderheid, tot 18 GPa en 2, 000 K. In de experimenten, synchrotron X-ray technieken werden gecombineerd met in situ ultrasone metingen bij hoge druk en temperatuur, in het multi-aambeeldapparaat op de bundellijn BL04B1 in SPring-8 (Hyogo, Japan). Ze gebruikten een synthetische staaf van MgSiO ₃ enstatiet, een lagedrukvorm van MgSiO ₃ , om het meerderheidsmonster bij hoge druk en op hoge temperatuur te synthetiseren, van waaruit ze de geluidssnelheden direct in de multi-aambeeldpers hebben gemeten.

De resultaten van hun experimenten toonden aan dat majoriet de kleinste bulk- en afschuifmoduli heeft van die van de belangrijkste granaateindleden bij de drukken en temperaturen van de MTZ van de aarde, wat suggereert dat elastische verweking waarschijnlijk optreedt in mantelgranaten wanneer het majorietgehalte toeneemt met toenemende druk (met dieper gaan). De resultaten voorspellen verder dat de afschuif-elastische eigenschappen van Ca-houdend majoriet gevoeliger kunnen zijn voor kationordening/wanorde dan andere majoritische granaten, die aanleiding kunnen geven tot een grote verscheidenheid aan afschuifelastische anomalieën bij de transformatie van kubische granaat naar tetragonale majoritische granaat in natuurlijke composities.

De toename van het majorietgehalte in mantelgranaten zou bijdragen aan het vertragen van de verzonken plaat in het middelste deel van de MTZ. De toename zou ook een rol kunnen spelen samen met de verdeling van Fe in olivijn/wadsleyiet of gedeeltelijk smelten, om de waargenomen snelheidssprong op 410 km te interpreteren. Samenstellingsveranderingen in majoritisch granaat zijn, echter, waarschijnlijk geen invloed hebben op de seismische profielen boven de 660, die meer onderhevig zijn aan verandering door het uiterlijk van CaSiO ₃ davemaoite of de Fe-verdeling in (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ componenten. Deze nieuwe gegevens zouden in grote mate moeten bijdragen aan het traceren van het bestaan ​​en de recycling van de voormalige verzonken lithosferische korst en het lot van de verzonken plaat in de MTZ van de aarde.