Постперовскит - Post-perovskite

Постперовскит (pPv) является фазой высокого давления магний силикат (MgSiO3). Он состоит из основных оксидных составляющих каменистой мантии Земли (MgO и SiO2), а его давление и температура для стабильности подразумевают, что это может произойти на участках самых нижних нескольких сотен км Мантия земли.

Постперовскитовая фаза имеет значение для D'' слой, что влияет на конвективное перемешивание в мантия ответственный за тектоника плит.[1]

Постперовскит имеет ту же кристаллическую структуру, что и синтетическое твердое соединение CaIrO.3, и его часто называют «CaIrO3-типа фазы MgSiO3"в литературе. кристаллическая система постперовскита ромбический, это космическая группа является См, а его структура представляет собой многослойную SiO6-октаэдрический лист по б ось. Название «постперовскит» происходит от силикатный перовскит, стабильная фаза MgSiO3 на большей части мантии Земли, которая имеет структура перовскита. Приставка «пост-» указывает на то, что она происходит после перовскита со структурой MgSiO.3 по мере увеличения давления (и исторически прогрессивной физики минералов высокого давления). В верхняя мантия давления, ближайшая к поверхности Земли, MgSiO3 сохраняется как силикатный минерал энстатит, а пироксен породообразующий минерал, обнаруженный в огненный и метаморфических пород из корка.

История

КАИРО3-типа фазы MgSiO3 фаза была открыта в 2004 г. с помощью нагреваемого лазером ячейка с алмазной наковальней (LHDAC) группой в Токийский технологический институт и, независимо, исследователями из Швейцарский федеральный технологический институт (ETH Zurich) и Японское агентство морской науки и техники, которые использовали комбинацию квантово-механического моделирования и экспериментов LHDAC. В журнале появилась статья группы TIT Наука.[2] Совместная статья ETH / JAM-EST и вторая статья группы TIT появились два месяца спустя в журнале. Природа.[3][4] Этому одновременному открытию предшествовало экспериментальное открытие С. Оно аналогичной фазы, обладающей точно такой же структурой, в Fe2О3.

Важность мантии Земли

Постперовскитовая фаза стабильна выше 120 ГПа в 2500 K, и демонстрирует положительный Склон Клапейрон таким образом, что давление превращения увеличивается с ростом температуры. Поскольку эти условия соответствуют глубине около 2600 км и D "сейсмический разрыв происходит на одинаковых глубинах, фазовый переход от перовскита к постперовскиту считается источником таких сейсмических неоднородностей в этом регионе. Постперовскит также имеет большие перспективы для отображения экспериментально определенной информации, касающейся температур и давлений его преобразования, в прямую информацию об изменениях температуры в слое D "после того, как сейсмические неоднородности, приписываемые этому преобразованию, будут достаточно картированы. Такую информацию можно использовать , например, чтобы:

1) лучше ограничивать количество тепла, покидающего ядро ​​Земли
2) определить, есть ли погруженные плиты океанического литосфера достичь основания мантии
3) помочь определить степень химической неоднородности в нижней мантии
4) выяснить, нестабильна ли самая нижняя мантия по отношению к конвективным неустойчивостям, которые приводят к восходящим горячим тепловым шлейфам горных пород, которые поднимаются вверх и, возможно, отслеживают следы горячих точек вулкана на поверхности Земли.

По этим причинам открытие MgSiO3Фазовый переход постперовскита считается многими геофизиками самым важным открытием в глубинной науке о Земле за несколько десятилетий и стал возможным только благодаря совместным усилиям ученых-физиков-минералов по всему миру, которые стремились расширить диапазон и качество. экспериментов LHDAC и как ab initio расчеты достигли предсказательной силы.

Физические свойства

Листовая структура постперовскита делает сжимаемость из б ось выше, чем у а или же c ось. Этот анизотропия может дать морфологию пластинки кристальная привычка параллельно плоскости (010); Сейсмическая анизотропия, наблюдаемая в области D ", может быть качественно (но не количественно) объяснена этой характеристикой. Теория предсказала скольжение (110), связанное с особенно благоприятными дефектами упаковки и подтвержденное более поздними экспериментами. Некоторые теоретики предсказали другие системы скольжения, которые ждут экспериментальное подтверждение. В 2005 и 2006 годах Оно и Оганов опубликовал две статьи, в которых предсказывалось, что постперовскит должен иметь высокую электропроводность, возможно, на два порядка выше проводимости перовскита. В 2008 году группа Хиросе опубликовала экспериментальный отчет, подтверждающий это предсказание. Слой постперовскита с высокой проводимостью позволяет объяснить наблюдаемые десятилетние вариации продолжительности дня.[нужна цитата ]

Химические свойства

Другой потенциально важный эффект, который необходимо лучше охарактеризовать для постперовскитного фазового перехода, - это влияние других химических компонентов, которые, как известно, в некоторой степени присутствуют в самой нижней мантии Земли. Первоначально считалось, что давление фазового перехода (характеризуемое двухфазной петлей в этой системе) уменьшается по мере увеличения содержания FeO, но некоторые недавние эксперименты предполагают обратное.[нужна цитата ] Однако не исключено, что действие Fe2О3 более актуален, поскольку большая часть железа в постперовските, вероятно, будет трехвалентным (трехвалентным). Такие компоненты, как Al2О3 или более окисленный Fe2О3 также влияют на давление фазового перехода и могут иметь сильные взаимные взаимодействия друг с другом. Влияние переменного химического состава, присутствующего в самой нижней мантии Земли, на постперовскитовый фазовый переход поднимает вопрос о термической и химической модуляции его возможного появления (наряду с любыми связанными с этим неоднородностями) в слое D ".[нужна цитата ]

Резюме

Экспериментальные и теоретические работы по фазовому переходу перовскит / постперовскит продолжаются, в то время как многие важные особенности этого фазового перехода остаются плохо ограниченными. Например, склон Клапейрон (характеризующийся Соотношение Клаузиуса – Клапейрона ), описывающая увеличение давления фазового перехода с повышением температуры, как известно, относительно высока по сравнению с другими фазовыми переходами твердое тело-твердое тело в мантии Земли, однако экспериментально определенное значение варьируется от примерно 5 МПа / К до столь же высокого как 13 МПа / К. Ab initio расчеты дают более узкий диапазон от 7,5 МПа / К [5] и 9,6 МПа / К, и это, вероятно, самые надежные оценки, доступные сегодня. Разница между экспериментальными оценками возникает прежде всего из-за того, что в качестве эталонов давления в Алмазная наковальня эксперименты. Хорошо охарактеризованное уравнение состояния для эталона давления в сочетании с высокоэнергетическим синхротроном, генерирующим рентгеновские дифрактограммы эталона давления (который смешивается с материалом экспериментального образца), дает информацию об условиях давления-температуры для эксперимент. Однако, поскольку эти экстремальные давления и температуры недостаточно исследованы в экспериментах, уравнения состояния для многих популярных эталонов давления еще недостаточно хорошо изучены и часто дают разные результаты. Еще одним источником неопределенности в экспериментах LHDAC является измерение температуры по тепловому излучению образца, которое требуется для получения давления из уравнения состояния эталона давления. В экспериментах с лазерным нагревом при таком высоком давлении (более 1 миллиона атмосфер) образцы обязательно должны быть небольшими, и для получения оценок температуры требуются многочисленные приближения (например, серое тело).[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ WR Пельтье (2007). "Динамика мантии и последствия слоя D-doubleprime постперовскитной фазы". Ин Кей Хиросе; Джон Бродхолт; Том Лэй; Дэвид Юэн (ред.). Постперовскит: последний фазовый переход мантии (PDF). Американский геофизический союз. С. 217–227. ISBN  978-0-87590-439-9.
  2. ^ Мураками, М .; Hirose, K; Кавамура, К; Сата, N; Охиси, Y (2004). «Постперовскитный фазовый переход в MgSiO3». Наука. 304 (5672): 855–8. Bibcode:2004Наука ... 304..855М. Дои:10.1126 / science.1095932. PMID  15073323.
  3. ^ Оганов, Артем Р .; Оно, Шигеаки (2004). «Теоретические и экспериментальные доказательства наличия постперовскитной фазы MgSiO3 в D-слое Земли». Природа. 430 (6998): 445–8. arXiv:0911.3184. Bibcode:2004Натура.430..445O. Дои:10.1038 / природа02701. PMID  15269766.
  4. ^ Iitaka, T .; Hirose, K .; Kawamura, K .; Мураками, М. (2004). «Эластичность постперовскитовой фазы MgSiO3 в самой нижней мантии Земли» (PDF). Природа. 430 (6998): 442–5. Bibcode:2004Натура.430..442И. Дои:10.1038 / природа02702. PMID  15269765.
  5. ^ Цучия, Таку; Цучия, Джун; Умемото, Коитиро; Венцкович, Рената М. (2004). «Фазовый переход в перовските MgSiO3 в нижней мантии Земли». Письма по науке о Земле и планетах. 224 (3–4): 241. Bibcode:2004E и PSL.224..241T. Дои:10.1016 / j.epsl.2004.05.017.

внешняя ссылка