Рис. 1. Схематическое изображение включения алюминия вместе с водой (как Al + H) в кристаллическую структуру сверхводной фазы B. Источник: Центр геодинамических исследований, Университет Эхимэ
Плотные водосодержащие силикаты магния (DHMS) обычно рассматриваются как первичные переносчики воды из мелководной литосферы в глубокую переходную область мантии (MTR; глубина 410–660 км). Среди DHMS сверхводная фаза B (далее SuB) имеет химическую формулу Mg10Si3H3O18.
Считается, что эта фаза содержит большое количество воды и, таким образом, может играть важную роль в способности MTR хранить воду и транспортировать ее в более глубокие части недр Земли; однако из-за своей относительной нестабильности по отношению к высокой температуре мантии Земли SuB обычно ассоциируется с холодными регионами, такими как внутренние части погруженной плиты.
Однако экспериментальное исследование, проведенное в Университете Эхимэ, показало, что когда алюминий включает SuB, его устойчивость к температуре резко улучшается (Kakizawa et al., AmMin 2018), что позволяет этому минералу оставаться стабильным при условиях давления и температуры, соответствующих условиям нижней мантии Земли.
В 2022 году та же исследовательская группа Университета Эхимэ сообщила о продольных (VP) и сдвиговых (VS) скоростях SuB (Xu et al., GRL 2022) с использованием рентгеновских и ультразвуковых методов, реализованных в многопучковом аппарате на линии пучка BL04B1, расположенном на синхротронной установке SPring-8 в Японии.
Результаты показали, что присутствие SuB может быть связано с низкими сейсмическими скоростями, наблюдаемыми в субдуцированных областях плит. На этот раз они провели аналогичные измерения высокого давления и высокой температуры на образцах SuB, легированных алюминием (рис. 1).
Их новые данные, опубликованные в Geophysical Research Letters, предполагают, что включение алюминия в SuB (SuB с Al на рис. 2) способствует необычным изменениям скоростей с увеличением содержания воды по сравнению со скоростями SuB без алюминия (SuB без Al на рис. 2).
Рис. 2. Продольная (VP) и сдвиговая (VS) скорости сверхводной фазы B в зависимости от содержания Al + H. Полные символы обозначают SuB, не содержащий алюминия (Xu et al., 2022; Li et al., 2016; Rosa et al., 2015), тогда как открытые символы представляют собой SuB, содержащий алюминий, в этом исследовании и Li et al. (2022). Фото: Центр геодинамических исследований Университета Эхимэ
Это новое открытие, в дополнение к знаниям о том, что устойчивость к температуре и способность хранить воду SuB улучшаются, когда в его структуре присутствует алюминий, предполагает, что содержащий Al SuB может быть причиной сейсмически видимых аномалий в нижней части MTR и под зонами субдукции в самой верхней нижней мантии.
Эти результаты должны внести значительный вклад в отслеживание существования и рециркуляции бывшей гидратированной литосферной коры в нижней мантии Земли и интерпретацию сейсмических скоростей с точки зрения состава мантии, а также оценку количества воды, которая может быть передана в глубокую мантию.
Дополнительная информация: Чаовэнь Сюй и др., Влияние включения Al на скорости звука сверхводной фазы B при высоком давлении и высокой температуре, Geophysical Research Letters (2024). DOI: 10.1029/2023GL107818
Информация о журнале: Geophysical Research Letters
Предоставлено Университетом Эхимэ
