Постперовскит
Пост-перовскит ( pPv ) представляет собой фазу высокого давления магния силиката (MgSiO 3 ). Он состоит из основных оксидных компонентов каменистой мантии Земли (MgO и SiO 2 ), а его давление и температура, обеспечивающие стабильность, предполагают, что он, вероятно, встречается в частях самых нижних нескольких сотен километров мантии Земли .
Фаза постперовскита имеет значение для слоя D » , который влияет на конвективное перемешивание в мантии, ответственное за тектонику плит . [1]
Постперовскит имеет ту же кристаллическую структуру, что и синтетическое твердое соединение CaIrO 3 его часто называют « фазой MgSiO 3 типа CaIrO 3 , и в литературе ». Кристаллическая система постперовскита орторомбическая , ее пространственная группа — Cmcm , структура — уложенный лист SiO 6 -октаэдра вдоль оси b . Название «постперовскит» происходит от силикатного перовскита , стабильной фазы MgSiO 3 на большей части мантии Земли, имеющей структуру перовскита . Приставка «пост-» относится к тому факту, что это происходит после перовскита со структурой MgSiO 3 по мере увеличения давления (и исторически прогресса физики минералов высокого давления). При давлениях верхней мантии , ближайшей к поверхности Земли, MgSiO 3 сохраняется в виде силикатного минерала энстатита , пироксенового породообразующего минерала, обнаруженного в магматических и метаморфических породах земной коры .
История
[ редактировать ]Фаза типа CaIrO 3 в фазе MgSiO 3 с лазерным нагревом была обнаружена в 2004 году с использованием метода ячейки с алмазными наковальнями (LHDAC) группой Токийского технологического института и независимо исследователями из Швейцарского федерального технологического института (ETH) . Цюрих) и Японское агентство по морским наукам и технологиям о Земле, которые использовали комбинацию квантово-механического моделирования и экспериментов LHDAC. Статья группы TIT появилась в журнале Science . [2] Совместная статья ETH/JAM-EST и вторая статья группы TIT появились два месяца спустя в журнале Nature . [3] [4] Этому одновременному открытию предшествовало экспериментальное открытие С. Оно аналогичной фазы точно такой же структуры в Fe 2 O 3 .
Значение в мантии Земли
[ редактировать ]Постперовскитная фаза стабильна при давлении выше 120 ГПа при 2500 К и имеет положительный наклон Клапейрона , так что давление превращения увеличивается с температурой. Поскольку эти условия соответствуют глубине около 2600 км, а сейсмический разрыв D" возникает на аналогичных глубинах, фазовый переход от перовскита к постперовскиту считается причиной таких сейсмических разрывов в этом регионе. Постперовскит также имеет большое значение. перспектива преобразования экспериментально определенной информации о температурах и давлениях его трансформации в прямую информацию об изменениях температуры в слое D" после того, как сейсмические разрывы, связанные с этим преобразованием, будут достаточно закартированы. Такая информация может быть использована, например, для:
- 1) лучше ограничить количество тепла, покидающего ядро Земли
- 2) определить, достигают ли субдуцированные плиты океанической литосферы основания мантии.
- 3) помогают определить степень химической неоднородности нижней мантии.
- 4) выяснить, неустойчива ли самая нижняя мантия к конвективным нестабильностям, которые приводят к поднимающимся вверх горячим термальным шлейфам горных пород, которые поднимаются вверх и, возможно, прослеживают следы вулканических горячих точек на поверхности Земли.
По этим причинам открытие MgSiO 3 -постперовскит фазового перехода рассматривается многими геофизиками как самое важное открытие в глубокой науке о Земле за несколько десятилетий и стало возможным только благодаря совместным усилиям ученых-минералистов всего мира. поскольку они стремились расширить диапазон и качество экспериментов LHDAC, а расчеты ab initio приобрели предсказательную силу.
Физические свойства
[ редактировать ]Листовая структура постперовскита делает сжимаемость оси b выше, чем сжимаемость осей a или c . Эта анизотропия может привести к морфологии пластинчатого кристаллического габитуса, параллельного плоскости (010); сейсмическая анизотропия, наблюдаемая в регионе D", могла бы качественно (но не количественно) быть объяснена этой характеристикой. Теория предсказала сдвиг (110), связанный с особенно благоприятными дефектами упаковки, и подтверждена более поздними экспериментами. Некоторые теоретики предсказали другие системы сдвига, которые ждут экспериментальное подтверждение. В 2005 и 2006 годах Оно и Оганов опубликовали две статьи, в которых предсказывали, что постперовскит должен иметь высокую электропроводность, возможно, на два порядка выше, чем проводимость перовскита. В 2008 году группа Хиросе опубликовала экспериментальный отчет, подтверждающий это предсказание. Слой постперовскита с высокой проводимостью объясняет наблюдаемые десятилетние изменения продолжительности дня. [ нужна ссылка ]
Химические свойства
[ редактировать ]Другим потенциально важным эффектом постперовскитного фазового перехода, который необходимо лучше охарактеризовать, является влияние других химических компонентов, которые, как известно, в некоторой степени присутствуют в самой нижней мантии Земли. Первоначально считалось, что давление фазового перехода (характеризующееся двухфазной петлей в этой системе) уменьшается с увеличением содержания FeO, но некоторые недавние эксперименты показывают обратное. [ нужна ссылка ] Однако возможно, что влияние Fe 2 O 3 более значимо, поскольку большая часть железа в постперовските, скорее всего, трехвалентная (трехвалентная). Такие компоненты, как Al 2 O 3 или более окисленный Fe 2 O 3, также влияют на давление фазового перехода и могут иметь сильные взаимные взаимодействия друг с другом. Влияние изменяющегося химического состава, присутствующего в самых нижних слоях мантии Земли, на постперовскитный фазовый переход поднимает вопрос как о термической, так и о химической модуляции его возможного появления (наряду с любыми связанными с этим разрывами) в слое D". [ нужна ссылка ]
Краткое содержание
[ редактировать ]Экспериментальные и теоретические работы по фазовому переходу перовскит/постперовскит продолжаются, хотя многие важные особенности этого фазового перехода остаются плохо изученными. Например, наклон Клапейрона (характеризуемый соотношением Клаузиуса-Клапейрона ), описывающий увеличение давления фазового перехода с ростом температуры, как известно, относительно высок по сравнению с другими фазовыми переходами твердое тело-твердое тело в мантии Земли, однако экспериментально определенное значение варьируется от примерно 5 МПа/К до 13 МПа/К. Расчеты ab initio дают более узкий диапазон: от 7,5 МПа/К. [5] и 9,6 МПа/К, и это, вероятно, наиболее надежные оценки, доступные на сегодняшний день. в качестве эталонов давления использовались разные материалы Разница между экспериментальными оценками возникает прежде всего потому, что в экспериментах с алмазной наковальней . Хорошо охарактеризованное уравнение состояния стандарта давления в сочетании с рентгеновскими дифракционными картинами, генерируемыми высокоэнергетическим синхротроном стандарта давления (который смешивается с материалом экспериментального образца), дает информацию о условиях давления и температуры образца. эксперимент. Однако, поскольку эти экстремальные давления и температуры недостаточно изучены в экспериментах, уравнения состояния для многих популярных стандартов давления еще недостаточно хорошо охарактеризованы и часто дают разные результаты. Другим источником неопределенности в экспериментах LHDAC является измерение температуры по тепловому излучению образца, которое необходимо для получения давления из уравнения состояния эталона давления. В экспериментах с лазерным нагревом при таких высоких давлениях (более 1 миллиона атмосфер) образцы обязательно малы, и для получения оценок температуры требуются многочисленные приближения (например, серое тело). [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ В. Р. Пельтье (2007). «Динамика мантии и последствия постперовскитной фазы, связанные с D-двойным простым слоем». В Кей Хиросе; Джон Бродхолт; Том Лэй; Дэвид Юэнь (ред.). Пост-перовскит: последний фазовый переход мантии (PDF) . Американский геофизический союз. стр. 217–227. ISBN 978-0-87590-439-9 .
- ^ {{цитировать журналCa Ir O3 - Оксид кальция иридия3. В шрифтах без засечек он выглядит как CalrO3. Но здесь содержится иридий. | doi = 10.1126/science.1095932 | пмид = 15073323 | title = Постперовскитный фазовый переход в MgSiO3 | первый5 = Y | Last5 = Оиси | первый4 = Н | Last4 = Сата | первый3 = К | Last3 = Кавамура | первый2 = К | год = 2004 | Last2 = Хиросе | Last1 = Мураками | первый1 = М. | журнал = Наука | объем = 304 | выпуск = 5672 | страницы = 855–8|bibcode = 2004Sci...304..855M | s2cid = 8616328 }}
- ^ Оганов Артем Р.; Оно, Сигеаки (2004). «Теоретические и экспериментальные доказательства существования постперовскитной фазы MgSiO3 в слое D Земли». Nature . 430 (6998): 445–8. arXiv : 0911.3184 . Bibcode : 2004Natur.430..445O . doi : 10.1038/nature02701 . ПМИД 15269766 . S2CID 4418049 .
- ^ Иитака, Т.; Хиросе, К.; Кавамура, К.; Мураками, М. (2004). «Упругость постперовскитной фазы MgSiO3 в самой нижней мантии Земли» (PDF) . Природа . 430 (6998): 442–5. Бибкод : 2004Natur.430..442I . дои : 10.1038/nature02702 . ПМИД 15269765 . S2CID 4319162 .
- ^ Цучия, Таку; Цучия, Джун; Умэмото, Коитиро; Венцкович, Рената М. (2004). «Фазовый переход в перовските MgSiO3 в нижней мантии Земли». Письма о Земле и планетологии . 224 (3–4): 241. Бибкод : 2004E&PSL.224..241T . дои : 10.1016/j.epsl.2004.05.017 .