La variazione nella dimensione dei grani della bridgmanite rappresenta la metà

Apr 20, 2024

Natura volume 620, pagine 794–799 (2023) Citare questo articolo

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Un salto di viscosità di uno o due ordini di grandezza nel mantello inferiore della Terra a una profondità di 800-1.200 km è dedotto dalle inversioni dei geoidi e dalle velocità di subduzione delle lastre. Questo salto è noto come salto di viscosità del mantello medio1,2. Il salto di viscosità del mantello medio è una componente chiave della dinamica e dell’evoluzione del mantello inferiore perché decelera la subduzione dello lastrone3, accelera la risalita del pennacchio4 e inibisce la miscelazione chimica5. Tuttavia, poiché le transizioni di fase dei principali minerali del mantello inferiore non avvengono a questa profondità, l’origine del salto di viscosità rimane sconosciuta. Qui mostriamo che le rocce arricchite di bridgmanite nel mantello inferiore profondo hanno una dimensione dei grani che è più di un ordine di grandezza maggiore e una viscosità che è almeno un ordine di grandezza superiore a quella delle rocce pirolitiche sovrastanti. Questo contrasto è sufficiente a spiegare il salto di viscosità del mantello medio1,2. La rapida crescita delle rocce arricchite di bridgmanite nella fase iniziale della storia della Terra e la conseguente elevata viscosità spiegano la loro preservazione dalla convezione del mantello5,6,7. L’elevato rapporto Mg:Si del mantello superiore rispetto alle condriti8, i rapporti isotopici anomali 142Nd:144Nd, 182W:184W e 3He:4He nei magmi hot-spot9,10, la deflessione del pennacchio4 e il ristagno degli lastroni anche nel mantello centrale3 poiché le scarse osservazioni di anisotropia sismica11,12 possono essere spiegate dalla conservazione a lungo termine delle rocce arricchite di bridgmanite nel mantello inferiore profondo, favorita dalla loro rapida crescita dei grani.

Il mantello inferiore della Terra è costituito da bridgmanite come fase minerale più abbondante, seguita da ferropericlasio e davemaoite rispettivamente come seconda e terza fase. Esperimenti di fusione e solidificazione dei silicati13,14 dimostrano che la bridgmanite è la prima fase a cristallizzare da un oceano di magma nelle prime fasi della storia della Terra. A causa della cristallizzazione frazionata15, rocce arricchite di bridgmanite con una bassa proporzione di ferropericlasi (Xfpc <5–10%) si sono formate a più di circa 1.000 km di profondità, evolvendo in rocce pirolitiche (o peridotitiche) con Xfpc relativamente elevato (≈20%) a profondità più superficiali, mentre il contenuto di davemaoite è inferiore a quello del ferropericlasio o addirittura assente nel mantello inferiore profondo16. Le rocce arricchite di bridgmanite potrebbero essere preservate fino ai giorni nostri senza mescolamento per convezione del mantello5,6,7,17 ​​come dimostrato dagli attuali profili sismici e di densità del mantello, entrambi in accordo con le composizioni pirolitiche nel mantello inferiore superficiale e nella bridgmanite- rocce arricchite nelle regioni più profonde18,19,20,21. Un mantello inferiore profondo arricchito di bridgmanite è supportato anche dall'incrocio di densità tra bridgmanite e ferropericlasio, ovvero le rocce arricchite di bridgmanite sono più dense delle rocce pirolitiche nel mantello centrale20.

In precedenza si è ritenuto che la bridgmanite sia reologicamente più forte del ferropericlasi22,23,24. Pertanto, le rocce arricchite di bridgmanite possono avere una viscosità maggiore rispetto a quelle delle rocce pirolitiche, il che può portare ad un aumento della viscosità con la profondità. L'aumento della forza del ferropericlasio con la pressione23,25 e la transizione dello spin del ferro26 possono anche causare un aumento della viscosità. Tuttavia, l’utilizzo di questi scenari per spiegare un aumento della viscosità di uno o due ordini di grandezza richiede una struttura interconnessa di ferropericlasi (reologia del mantello inferiore controllata da ferropericlasi)5,22, il che è improbabile perché la conduttività elettrica del mantello inferiore è paragonabile a quello della bridgmanite27,28, ma tre ordini di grandezza inferiore a quello del ferropericlasi27. In particolare, recenti modelli atomici29 mostrano che la periclasi ha una velocità di creep inferiore a quella della bridgmanite in condizioni di mantello, mentre esperimenti di deformazione30 suggeriscono che la bridgmanite ha una velocità di creep identica a quella del post-spinello (70% bridgmanite + 30% ferropericlasio); entrambi questi risultati indicano una reologia del mantello inferiore controllata dalla bridgmanite. Inoltre, è stato proposto che i posti vacanti di ossigeno nella bridgmanite formati dalla sostituzione di Si4+ con Al3+ e Fe3+ causino un aumento della resistenza della bridgmanite con la profondità31,32,33. Tuttavia, Al3+ e Fe3+ hanno maggiori probabilità di formare FeAlO3 nella bridgmanite34. Inoltre, anche il contributo della davemaoite alla reologia del mantello inferiore dovrebbe essere limitato a causa della sua bassa frazione di volume (e quindi dell'assenza di interconnessione)16, sebbene la davemaoite sia reologicamente più debole della bridgmanite35.