En illustration som visar migration av vattenhaltiga vätskor som härrör från plattor i subduktionszoner. Kredit:Tohoku University
Ett team av forskare har upptäckt mer om vätskeanslutningen i spannmålsskala under jordens yta, kastar nytt ljus över vätskecirkulation och seismiska hastighetsavvikelser i subduktionszoner.
Litosfäriska plattor kolliderar vid konvergerande gränser. Här, den mindre täta oceaniska litosfären subducerar under kontinentalplattan, och frigör ett överflöd av vatten på grund av en progressiv metamorf reaktion vid högt tryck och hög temperatur. Det frigjorda vattnet kan tränga in i mantelkilen som ligger mellan den subdukterande oceaniska litosfären och den kontinentala skorpan.
Vätskor som cirkulerar i subduktionszoner har en betydande effekt på magma-genes, globalt materialutbyte mellan jordens inre och yta, och seismicitet. Den dihedriska vinkeln (θ) – vinkeln mellan två skärande plan – håller nyckeln till att avslöja vätskeanslutningen och migrationsregimen för ett vätskebärande, djupt liggande sten i jordens inre känd som pyrolite - en sten som huvudsakligen består av olivin.
Även om H 2 O är den dominerande sammansättningen av subduktionszonvätskor, mindre komponenter i vätskan kan ha en dramatisk inverkan på olivinens vätningsegenskaper. Detta framgår av den dihedriska vinkeln mellan olivin och vätska.
Salt (NaCl) och opolariserade gaser som CO 2 är två avgörande komponenter i subduktionszonvätskor som signifikant påverkar den dihedriska vinkeln mellan olivin och vätska. CO 2 är känt för att öka olivinvätskan θ under förhållanden där olivinen inte reagerar med CO 2 . Medan en nyligen genomförd studie visade att NaCl effektivt kan minska olivinvätskan θ även med en låg NaCl-koncentration. NaCl och CO 2 har motsatta effekter på olivinvätskan θ, och denna faktor har hämmat forskare i deras förståelse av vätskemigrering i subduktionszoner.
Att klargöra de konkurrerande effekterna av NaCl och CO 2 på θ i en olivin + multikomponent (H 2 O-CO 2 -NaCl) vätskesystem kan hjälpa forskare att förstå anslutningen av vattenhaltig vätska med mer realistiska sammansättningar av mantelkilen; vilket gör kartläggning av vätskefördelning lättare.
Att göra detta, doktorand Yongsheng Huang, professor Michihiko Nakamura, och postdoktorn Takayuki Nakatani från Tohoku University arbetade tillsammans med professor Catherine McCammon från University of Bayreuth. Forskargruppen försökte begränsa θ i olivin +H 2 O-CO 2 vätska och olivin +H 2 O-CO 2 -NaCl (flerkomponent) vätskesystem vid 1-4 GPa och 800-1100 °C.
Resultaten i H 2 O-CO 2 systemet visade att CO 2 tenderar att öka θ vid 1 GPa och 800-1100 °C och vid 2 GPa och 1100 °C. I kontrast, CO 2 reducerade θ till under 60° vid relativt högt tryck och låga temperaturer. Här, olivinen reagerar delvis med CO 2 för att bilda magnesit och ortopyroxen (opx).
Ytterligare experiment på olivin-magnesit +H 2 Oand olivin-opx +H 2 Osystem visade magnesit eller opx minskade olivinvätskan θ. Detta antyder att samexisterande mineraler påverkar olivin-vätskegränsytans energi genom att ändra vätskekemin. Multikomponentsystemresultaten visade att effekten av NaCl på θ är mycket mer signifikant än CO 2 . Slående, θ var mindre än 60° i alla magnesit- och opx-bärande flerkomponentsystem.
"Vår studie har visat att CO 2 -bärande flerkomponents vattenhaltig vätska kan infiltrera den överliggande plattan genom ett sammankopplat nätverk vid tryck över 2 GPa, som underlättar betydande frambågsvätskecirkulation och bekräftar ursprunget till de anomalier med hög elektrisk ledningsförmåga som detekterats i frambågmantelkilen, sa Nakamura.
De kontrasterande effekterna av vattenhaltig vätska och silikatsmälta på den seismiska våghastigheten kan möjliggöra kartläggning av partiell smälta i mantelkilen.
