Изогнутая граница пост-гранатовой фазы может объяснить загадочное поведение субдуцирующих плит и восходящих плюмов

Международная исследовательская группа под руководством доктора Такаюки Исии из HPSTAR и Института планетарных материалов Университета Окаяма точно определила температурную зависимость давления фазового перехода мантийного минерала пиропового граната в бриджманит плюс корунд (пост-гранатовый переход). Это может объяснить загадочную динамику субдуцирующих плит и восходящих плюмов, наблюдаемую сейсмически в верхней части нижней мантии.

Результаты опубликованы в журнале Nature Geoscience. Определенный в работе наклон Клапейрона (температурная зависимость давления пост-гранатного перехода) меняется с отрицательного на положительный с ростом температуры, становясь нулевым при средней температуре мантии. Это уникальные свойства, не встречающиеся у других мантийных минералов.

Изогнутая граница пост-гранатового перехода замедляет субдукцию холодных плит и ускоряет подъем горячих плюмов. Таким образом, ею можно объяснить наблюдаемую сейсмической томографией стагнацию многих плит и «невидимость» (интерпретируемую как истончение из-за ускорения) плюмов на глубинах 660–1000 км.

Более перспективная интерпретация этих наблюдений — фазовый переход. Наклон Клапейрона имеет решающее значение для контроля мантийной конвекции: отрицательный наклон препятствует ей, а положительный — ускоряет. В диапазоне глубин 660–1000 км пироповый гранат распадается на бриджманит и корунд (пост-гранатовый переход). Хотя эта фазовая граница может быть ответственна за давнюю сейсмическую загадку, в предыдущих исследованиях её наклон определялся как почти нулевой.

«Границы фаз, определенные традиционными методами, не являются окончательными из-за ограничений экспериментальной техники: ограниченного разрешения по давлению и возможной ошибочной идентификации стабильной фазы», — пояснил доктор Исии. Команда разработала новый подход, позволяющий точно определить фазовую стабильность с существенно улучшенным разрешением по давлению.

С помощью этой техники была определена граница пост-гранатовой фазы в широком диапазоне температур — от холодных плит до горячих плюмов. Установлено, что граница находится на глубине ~720 км и имеет выпуклую вниз форму: наклон меняется с отрицательного на положительный с ростом температуры, становясь нулевым около фоновой температуры мантии.

Отрицательный наклон границы при низких температурах создает восходящую плавучесть в холодных областях, что может объяснять стагнацию субдуцирующих плит на глубинах 660–1000 км. Положительный наклон при высоких температурах создает восходящую плавучесть в горячих областях, что может ускорять восходящие плюмы, делая их тоньше и «невидимыми» для томографии на этих глубинах.