(Vänster) Polyhedra av Al -O -kopplingar som visar övergången från 0 till 82 GPa via 30 och 50 GPa vid 2200 K. [4] Al, [5] Al, [6] Al och [7] Al är de fyra, fem, sex, och sjufaldigt samordnade Al -atomer. (Höger) Viskositetskoefficienten för modellbasaltsmältan vid 2200 K som en funktion av tryck. Kredit:University of Saskatchewan
Forskare vid University of Saskatchewan, Kanada, tillsammans med deras medarbetare vid Zhejiang University of Technology, Kina, och RIKEN Center for Computational Science, Japan, gjort betydande framsteg när det gäller att begränsa åldern på de tidiga jordens magmahav. Resultaten publicerades nyligen i Naturkommunikation .
Transportegenskaper som diffusivitet och smältviskositet dikterade utvecklingen av jordens tidiga magmahav. I det här arbetet, författarna har utforskat konstruktionernas tryckutveckling, densiteter, och transportegenskaper för en realistisk modell basaltisk smälta. Denna modell basaltiska smälta bestod av CaO, MgO, Al 2 O 3 , och SiO 2 . Beräkningarna utfördes med användning av första principen molekylära dynamiska simuleringar som efterliknade tryck- och temperaturförhållandena på jordens mantel. Forskargruppen under ledning av professor John S. Tse från Institutionen för fysik och teknikfysik vid University of Saskatchewan fann avvikelser i form av omvända transportegenskaper (diffusion och viskositet) under de lägre mantelförhållandena. Denna vändning har tillskrivits temporala atomiska interaktioner vid högt tryck som är fluxiella och sköra.
Kisel-syre- och aluminium-syrebindningarna är avgörande faktorer som ledde till slutsatserna av transportegenskaperna. I det här arbetet, forskarna observerade att vid tryck ungefär över 50 GPa, bindningarna blir mycket sköra och fortsätter att bryta mycket ofta med tiden. Det finns en extrem snabb omvandling mellan fem, sex, och sjufaldig koordination av kisel- och aluminiumatomerna med avseende på syreatomerna. Detta flödesbeteende hos bindningarna förväntas förändra transportegenskaperna genom att öka diffusiviteten och minska viskositeten vid det tryckområdet.
Viskositet är en mycket viktig parameter som kontrollerade praktiskt taget alla dynamiska processer i de tidiga jordens magmahav. Magmahav accepteras allmänt som ansvariga för bildandet av metallkärnan och silikatmanteln genom differentiering samt atmosfären och hydrosfären genom avgasning. Tidigare, tidsskalorna för magma havskristallisering föreslogs att variera från tusentals till miljontals år. Detta antal beror på magmans viskositet. Tidigare antogs det att viskositeten var mycket hög och förutspådde därför tidsramar på ~ 100–200 miljoner år för magmahav. Nyare studier med olika antaganden har minskat tidsskalorna för magmahav till några miljoner år. Våra beräkningar med den omvända trenden på ~ 50–82 GPa förutsäger viskositetsstorleken på ~ 0,1 Pa s för basaltiska smältningar under de flesta lägre mantelförhållanden. Detta ger stöd för de korta tidsperioderna för magmahav vid några miljoner år.
"Vi har inte bara framgångsrikt begränsat de korta tidsperioderna för magmahaven vid några miljoner år utan också gett en lockande förklaring till de horisontella avböjningarna av superplumes cirka 1000 km under jordens yta, "sa John S. Tse.
