Forskare vid Ehime University har rapporterat ljudhastigheten för MgSiO ₃ Majoritgranat upp till ett tryck på 18 gigapascal och temperatur upp till 2, 000 Kelvin. Deras resultat leder till förståelse av mineralsammansättningen i jordens mantelövergångszon (MTZ), vilket inte är helt klarlagt ännu. Denna studie tyder på att en mekanisk blandning av häll- och mantelstenar, snarare än ekvilibrerade stenar, är mer sannolikt att förklara seismologiska observationer genom hela MTZ.

Silikatgranater är viktiga stenbildande mineral som utgör en stor del av jordskorpan och den övre manteln. Det finns många sorters silikatgranater som består av en mängd olika kombinationer av flera element:silikat, magnesium, aluminium, kalcium etc. Bland silikatgranater, de som kallas majoritiska granater är granater berikade med kisel som bildas uteslutande på djup under ~300 km, när pyroxener, ett annat mineral som finns i jordskorpan och den övre manteln, löses gradvis i granater från grundare djup. Redan 2008, en experimentell studie publicerad i tidskriften Natur av Irifune et al. visade att pyrolit, bestående av ~40 vol.% majoritgranat och ~60 vol.% olivin (sorter av silikatmineraler, (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ ), är den mest representativa stensammansättningen på djup av ~560 km i MTZ. Det finns, dock, fortfarande en del kontroverser angående den övre delen av MTZ, under den 410 km långa diskontinuiteten, och i den djupare MTZ, över den 660 km långa diskontinuiteten, där mineralfysikdata inte kan förklara de branta seismiska hastighetsgradienterna som observerats av globala seismiska studier.

Flera hypoteser har föreslagits för att förklara sådana avvikelser, bland dem, idén om variationer av kemisk sammansättning i mantelgranater har vuxit i popularitet. På grund av de kontrasterande skillnaderna i bulksammansättningen av mantel- och skivlitologier, den kemiska sammansättningen av majoritgranat kommer sannolikt att variera avsevärt över hela världen, beroende på den geologiska historien för varje subduktionszon. Att tolka sådana seismiska observationer i termer av granatkompositioner, dock, kräver en exakt kunskap om de termoelastiska egenskaperna hos granatändelementen i ett brett område av tryck och temperatur.

MgSiO ₃ majorite är den viktigaste slutmedlemmen i den kiselrika majoritiska granatfamiljen och en viktig komponent i majoritgranater. Kunskap om dess termoelastiska egenskaper är därför av primär betydelse för att exakt härleda de seismiska hastigheterna för majoritisk granat över ett brett tryckområde, temperatur och kemiska sammansättningar. Men, eftersom denna fas endast är stabil i ett smalt tryckområde, mellan ~16 och 22 GPa, och temperaturer högre än ~1800 K, Att göra sådana mätningar har varit utmanande och därför har dess ljudhastigheter vid samtidigt högt tryck och hög temperatur aldrig fastställts.

Trots dessa svårigheter, forskare vid Ehime mätte framgångsrikt longitudinella (VP) och skjuvhastigheter (VS), såväl som densiteten av MgSiO ₃ majoritet, upp till 18 GPa och 2, 000 K. I experimenten, synkrotronröntgentekniker kombinerades med in situ ultraljudsmätningar vid högt tryck och temperatur, i multi-städapparaten placerad vid strållinjen BL04B1 i SPring-8 (Hyogo, Japan). De använde en syntetisk stav av MgSiO ₃ enstatit, en lågtrycksform av MgSiO ₃ , att syntetisera majoritprovet vid högt tryck och hög temperatur, från vilken de direkt mätte dess ljudhastigheter i multi-städpressen.

Resultaten av deras experiment visade att majorite har den minsta bulk- och skjuvmodulen bland de större granatändelementen vid tryck och temperaturer för jordens MTZ, vilket tyder på att elastisk uppmjukning sannolikt kommer att inträffa i mantelgranater när majoritetsinnehållet ökar med ökande tryck (när man går djupare). Resultaten förutspår vidare att de skjuvelastiska egenskaperna hos Ca-bärande majorit kan vara mer känsliga för katjonordning/störning än andra majoritiska granater, vilket skulle kunna ge upphov till en mängd olika skjuvelastiska anomalier över omvandlingen av kubisk granat till tetragonal majoritisk granat i naturliga sammansättningar.

Ökningen av majoritetsinnehållet i mantelgranater skulle bidra till att bromsa den subducerade plattan i mitten av MTZ. Ökningen kan också spela en roll tillsammans med uppdelningen av Fe i olivin/wadsleyit eller partiell smältning, att tolka det observerade hastighetshoppet vid 410 km. Kompositionsförändringar i majoritisk granat är, dock, kommer sannolikt inte att påverka de seismiska profilerna ovanför 660, som är mer föremål för förändring genom utseendet av CaSiO ₃ davemaoite eller Fe-partitioneringen i (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ komponenter. Dessa nya data bör i hög grad bidra till att spåra förekomsten och återvinningen av den tidigare subducerade litosfäriska skorpan och ödet för den subducerade plattan i jordens MTZ.