I en nyligen publicerad tidning i Earth and Planetary Science Letters , forskare från Geodynamics Research Center, Ehime University och University of Lille kombinerar numerisk modellering av dislokationsglid och resultat från diffusionsexperiment för att återbesöka reologin hos wadsleyite, ringwoodit och majorite granat under geologiska töjningshastigheter över övergångszonen av jordens mantel baserat på teoretisk plasticitetsmodellering.

Trots att den består av fasta stenar, jordens mantel, som sträcker sig till ett djup av ~2890 km under jordskorpan, genomgår konvektivt flöde genom att ta bort värme från jordens inre. Denna process involverar massöverföring genom subduktion av kalla tektoniska plattor från och uppstigning av heta plymer mot jordens yta, ansvarig för många storskaliga geologiska egenskaper, som jordbävningar och vulkanism. Genom en kombination av tidigare seismologiska och mineralfysiska studier, det är välkänt att jordens mantel är uppdelad (mineralogiskt) i två huvudregimer:den övre och den nedre manteln, åtskilda av 'övergångszonen, ' ett gränsskikt mellan ~410 och ~660 km djup. Denna övergångszon påverkar omfattningen av helmantelns konvektion genom att kontrollera massöverföringen mellan den övre och nedre manteln. Seismiska tomografistudier (CT-avbildning av jordens inre med hjälp av seismiska vågor) har tidigare visat att medan vissa plattor tränger igenom övergångszonen, andra verkar stagnera antingen inom eller strax under. Orsaken är oklar och dynamiken i jordens mantel över övergångszonen är fortfarande dåligt begränsad på grund av bristen på förståelse för dess mekaniska egenskaper.

Dessa mekaniska egenskaper beror på mineralernas förmåga att genomgå långsam plastisk deformation som svar på en låg mekanisk påkänning, kallas 'krypning, ' beskrivs vanligtvis av en parameter känd som "viskositet." Dynamiken i den övre manteln är beroende av plastisk deformation av dess huvudbeståndsdel, Mg ₂ SiO ₄ olivin. De första ~300 km av den övre manteln kännetecknas av ett starkt riktningsberoende av hastigheten hos seismiska vågor, känd som "seismisk anisotropi". Därför, Det anses allmänt att "dislokationskrypning" - en deformationsmekanism som inducerar gitterrotation och kristallografisk föredragna orientering (CPO) i elastiskt anisotropa mineraler som olivin - bidrar till den övergripande deformationen av den övre manteln. Dislokationskrypning är en intrakristallin deformationsmekanism som ansvarar för transporten av kristallskjuvning, medierad av linjära defekter som kallas "dislokationer". Det är en sammansatt deformationsmekanism som kan involvera både glidning av dislokationer längs vissa specifika kristallriktningar och plan och diffusionsmedierad klättring ut ur deras glidplan. Verkligen, senaste numeriska simuleringar av Boioli et al. (2015) har visat att deformation av Mg ₂ SiO ₄ olivinkristaller tas emot av Weertman-typen av dislokationskryp under relevanta övre mantelförhållanden, där uppstigning av dislokationer möjliggör återhämtning av dislokationsövergångar, gör att plastpåkänning effektivt kan produceras genom dislokationsglid.

Gå in i mantelövergångszonen bortom ~410 km djup med ökande tryck (P) och temperatur (T), olivin förvandlas först till sin hög-P polymorfa wadsleyit och vid ~520 km till ringwoodit. Det är fortfarande oklart om deformationsprocesser av dessa mer kompakta strukturer av hög-P polymorfer av olivin liknar de för olivin (Ritterbex et al. 2015; Ritterbex et al. 2016). För att ta itu med denna fråga, forskare från plasticitetsgruppen vid universitetet i Lille och Geodynamics Research Centre vid Ehime University kombinerade numeriska simuleringar av termiskt aktiverade dislokationsglidmobiliteter tillsammans med resultat från experimentella diffusionsdata, och visa att i motsats till olivin vid övre mantelförhållanden, dislokationsklättringshastigheterna överstiger de för glid i hög-P polymorfer av olivin, inducerar en övergång av deformationsmekanism i dislokationskrypregimen från Weertman-kryp till ren klättringskryp vid geologiskt relevanta spänningar. Baserat på plasticitetsmodellering och begränsad av diffusionsdata från experiment, den aktuella undersökningen kvantifierar steady-state deformation av de viktigaste övergångszonen mineraler wadsleyit, ringwoodite och majorite granat som funktion av kornstorlek.

Dessa modelleringar kan förklara ett antal nyckelegenskaper associerade med mantelövergångszonen. Det har visat sig att intrakristallin plasticitet hos wadsleyit, ringwoodite och majorite granat genom ren klättringskrypning vid geologiska påfrestningar leder till en jämn övergångszon på 10 ^(21±1) Pa.s om kornstorleken är ~0,1 mm eller större, matchar väl de tillgängliga geofysiska data på inverterad yta som vanligtvis används för att begränsa de reologiska egenskaperna hos jordens mantel. Eftersom rent klättringskryp inte inducerar gitterrotation och inte kan producera CPO, deformation av övergångszonen genom denna mekanism är kompatibel med dess relativa seismiska isotropi jämfört med den övre manteln. Forskarna fann också att CPO kan utvecklas tillsammans med stresskoncentrationer genom aktivering av Weertman-krypning, till exempel i hörnflöden runt kalla subducerande plattor, något som kan inducera en ökning av subduktionsmotstånd, förklara varför vissa plattor stannar vid basen av övergångszonen. Å andra sidan, viskositetsminskningar förutsägs om kornen är mindre än ~0,1 mm när silikaterna i övergångszonen deformeras av ren atomdiffusion, brukar kallas "diffusionskrypning, " som potentiellt kan påverka flödesdynamiken i det inre av kalla subducerande plattor eller över fasövergångar.

Framtida inkorporering av dessa deformationsmekanismer som en funktion av kornstorleken i geodynamiska konvektionsmodeller bör förbättra vår förståelse av samspelet mellan den övre och nedre manteln och förväntas vara till hjälp för att begränsa jordens geokemiska utveckling.