一种令人惊讶的软矿物可能会控制地球如何回收岩石

我们在地球表面看到的山脉、火山和地震等地质事件是地球深处正在发生的过程的表现。在地壳上，我们是被称为板块构造的传送带系统的一部分，其中海洋边缘的旧地壳被推回下方的地下，进入地幔。

随着地壳深入地球，岩石中的一些矿物质在地幔的高温和高压下发生变化。犹他大学地质学家 Lowell Miyagi 及其同事的新研究发现，其中一种地幔矿物是地球内部最弱的矿物之一。

这是一种很难研究的矿物，但研究表明它比地幔的其他大部分软约 1000 倍。这对于了解岩石板在沉入地球时会发生什么很重要，这反过来又告诉我们地震和火山如何以及为什么会在地表发生。

“我们想了解所有这些岩石和矿物的机械特性，因为这是决定板块沉入地球内部时的行为方式，”地质学和地球物理学副教授 Miyagi 说。

该研究发表在《自然》杂志上。

地上和地下的板块构造

地壳是由板块组成的——在我们看来，板块大片似乎是不可移动的和永恒的。构成海洋的板块开始于岩浆在板块中心上升的地方，描述性地称为“大洋中脊”。岩浆变成玄武岩，类似于我们看到的从夏威夷火山喷出的黑色火山岩。

随着岩浆继续上升，板块扩散，将较旧的玄武岩地壳推向两侧。每个板块都会撞到它的邻居，当它撞到海洋时，比上的地壳更致密的海洋地壳被推下到地幔中。这是一个称为俯冲的过程。

在那之后，我们对这种循环地壳的命运的最好线索来自我们对地震产生的、穿过地球内部的地震波的读数。

“这有点像你去看医生用超声波对婴儿进行成像，”宫城说。“在这种情况下，海浪更大，婴儿(地球)更大。”

地震波以不同的速度穿过不同的材料，所以当地震波显示出不寻常的东西时，地球科学家会注意并自然想知道——那是由什么制成的?这些值得注意的未知数之一是地幔和地核之间的边界处的一个特征，称为大低剪切速度省或 LLSVP。有两个：一个在太平洋之下，一个在非洲之下。它们很大——太平洋下方的省份大约有 1,800 英里(3,000 公里)宽——大约是从盐湖城到华盛顿特区的距离。它们很高，可能高达 600 英里(1,000 公里)。这是珠穆朗玛峰高度的100多倍。

地球科学家此前认为，这些省份比周围的岩石更热，可能是夏威夷群岛或东非裂谷带等一些火山特征的来源。“然而，最近人们认为这些是与地幔不同的岩石，”宫城说。“所以问题是：它是什么样的岩石，它是如何堆积在那里的?”

认识达维茂特

一种候选物质是矿物达维茂石，化学式为 CaSiO 3。它是一类称为钙钛矿的矿物的一部分。下沉的岩石板块富含达维茂石(高达 30%)，而地幔的其余部分则含量不多。因此，尽管了解达维茂岩的机械特性很重要，例如它如何在地幔中弯曲或伸展，了解地球如何将物质从地表循环到内部深处，但它一直是一种难以研究的矿物。为什么?

“学习非常困难，因为它无法承受室内压力，”宫城说。“它必须在高温和高压下制造。如果你把压力和温度去掉，它就会变成玻璃。” 最近在 2021 年报道的迄今为止在地表发现的唯一的戴维茂石被困在一颗钻石内，该钻石保持了保持其原子结构在一起所需的高压。

那么，由来自犹他州、加利福尼亚州、德国和英国的科学家组成的研究团队是如何设法研究达维茂石的力学性能的呢?通过在两个金刚石砧之间以 30 吉帕的压力(海洋最深处压力的 19 倍)挤压粉状 CaSiO 3并将其加热到 1600 °F (1150 K)。他们必须在设备中建造一个窗口，以便让 X 射线束通过以分析所得晶体的原子结构。

柔软 1,000 倍

在分析了 davemaoite 的结构后，研究人员模拟了它在拉伸或拉动时的强度和行为。他们发现，Davemaoite 比地幔的其他部分软约 1000 倍。

但这意味着什么?材料的粘度或其流动能力以几种不同的单位测量，包括帕斯卡秒。非常薄的东西，比如水，大约是 0.001 帕斯卡秒，而像花生酱这样厚的东西大约是 200 帕斯卡秒。地球的下地幔大约在 10 21帕斯卡秒出现——比花生酱厚很多。但如果地幔是花生酱，那么 davemaoite 就是枫糖浆。任何将两者都放在煎饼上的人都知道两者之间的差异很大。

那么，让我们来看看这种差异如何影响一块沉入地球的岩石。在大约 340 英里(550 公里)的深度处，温度和压力在大部分板块中形成达维茂岩，突然使其非常脆弱。

“板块的那些薄弱部分可能会从板块的其余部分分层或剥落，然后落入地幔中，”宫城说。“我们的地震图像看起来像是板块的一部分已经分离并脱落了。”

宫城说，如果这种富含达维茂岩的致密物质分离并下沉，它可能形成一个大型低剪切速度省是合理的。“通过将这些倒置的羽流滴到地幔底部，长时间堆积这种物质会发生这种情况。”

关于地球内部矿物质的特性如何影响事物的移动方式，还有很多事情需要探索。“了解这种材料的机械性能可以让我们更好地了解板块在地球内部是如何俯冲和表现的，”宫城说。“因此，这可以让我们更好地了解驱动板块构造以及地震和火山的大规模过程。”

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