Tilkoblingen til flerkomponentvæsker i subduksjonssoner

Et team av forskere har oppdaget mer om kornskala-væskeforbindelsen under jordens overflate, og kaster nytt lys på væskesirkulasjon og seismiske hastighetsavvik i subduksjonssoner.

Litosfæriske plater kolliderer ved konvergerende grenser. Her subdukterer den mindre tette oseaniske litosfæren under kontinentalplaten, og frigjør en overflod av vann på grunn av en progressiv metamorf reaksjon ved høyt trykk og høy temperatur. Det frigjorte vannet kan infiltrere inn i mantelkilen som ligger mellom den subdukterende oseaniske litosfæren og den kontinentale skorpen.

Væsker som sirkulerer i subduksjonssoner har en betydelig effekt på magma-genese, global materialutveksling mellom jordens indre og overflate, og seismisitet. Den dihedrale vinkelen (θ) - vinkelen mellom to kryssende plan - holder nøkkelen til å avsløre væskeforbindelsen og migrasjonsregimet for en væskeførende, dyptliggende bergart i jordens indre kjent som pyrolitt - en bergart som hovedsakelig består av olivin.

Selv om H_{2O er den dominerende sammensetningen av subduksjonssonevæsker, kan mindre komponenter i væsken ha en dramatisk innvirkning på fukteegenskapene til olivin. Dette er bevist i den dihedriske vinkelen mellom olivin og væske.}

S alt (NaCl) og ikke-polariserte gasser som CO₂ er to avgjørende komponenter i subduksjonssonevæsker som i betydelig grad påvirker den dihedrale vinkelen mellom olivin og væske. CO₂ er kjent for å øke olivinvæsken θ under forhold der olivinen ikke reagerer med CO₂Mens en nylig studie viste at NaCl effektivt kan redusere olivinvæsken θ selv med en lav NaCl-konsentrasjon. NaCl og CO_{2 har motsatte effekter på olivinvæsken θ, og denne faktoren har hemmet forskere i deres forståelse av væskemigrering i subduksjonssoner.}

Tydeliggjøring av de konkurrerende effektene av NaCl og CO₂ på θ i en olivin + multikomponent (H₂O-CO 2_{-NaCl) væskesystem kan hjelpe forskere å forstå sammenhengen mellom vandig væske og mer realistiske sammensetninger av mantelkilen; dermed gjøre kartlegging av væskefordeling enklere.}

For å gjøre dette jobbet doktorgradsstudent Yongsheng Huang, professor Michihiko Nakamura og postdoktor Takayuki Nakatani fra Tohoku University sammen med professor Catherine McCammon fra University of Bayreuth. Forskerteamet forsøkte å begrense θ i olivin + H₂O-CO₂ væske og olivin + H_{2 O-CO}2_{-NaCl (flerkomponent) væskesystemer ved 1-4 GPa og 800-1100 °C.}

Resultatene i H₂O-CO₂-systemet viste at CO₂ har en tendens til å øke θ ved 1 GPa og 800-1100 °C og ved 2 GPa og 1100 °C. Derimot reduserte CO₂ θ til under 60° ved forhold med relativt høyt trykk og lav temperatur. Her reagerer olivinet delvis med CO_{2 for å danne magnesitt og ortopyroksen (opx).}

Ytterligere eksperimenter på olivin-magnesit + H₂O og olivin-opx + H₂O-systemer viste magnesitt eller opx reduserte olivin-væske θ. Dette innebærer at sameksisterende mineraler påvirker olivin-væske-grensesnittenergien ved å endre væskekjemi. Resultatene av multikomponentsystemet viste at effekten av NaCl på θ er mye mer signifikant enn CO_{2 Påfallende nok var θ mindre enn 60° i alle magnesit- og opx-bærende multikomponentsystemer.}

"Vår studie har avslørt at CO_{2-bærende multikomponent vannholdig væske kan infiltrere den overliggende platen gjennom et sammenkoblet nettverk ved trykk over 2 GPa, noe som letter betydelig forbuevæske sirkulasjon og bekrefter opprinnelsen til anomaliene med høy elektrisk ledningsevne som er oppdaget i forbuemantelkilen, " sa Nakamura.}

De kontrasterende effektene av vandig væske og silikatsmelte på den seismiske bølgehastigheten kan tillate kartlegging av delvis smelting i mantelkilen.