stringtranslate.com

Рингвудит

Рингвудит — это фаза высокого давления Mg 2 SiO 4 (силикат магния), образованная при высоких температурах и давлениях мантии Земли на глубине от 525 до 660 км (от 326 до 410 миль). Он также может содержать железо и водород . Он полиморфен с оливиновой фазой форстеритом ( силикат магния и железа ).

Рингвудит примечателен тем, что может содержать в своей структуре гидроксид- ионы ( атомы кислорода и водорода , связанные вместе). В этом случае два гидроксид-иона обычно заменяют ион магния и два оксид-иона. [5]

В сочетании с доказательствами его залегания глубоко в мантии Земли это позволяет предположить, что в переходной зоне мантии на глубине от 410 до 660 км содержится от одного до трех раз больше воды, чем в мировом океане . [6] [7]

Этот минерал был впервые обнаружен в метеорите Тенхэм в 1969 году [8] и, как предполагается, присутствует в больших количествах в мантии Земли.

Оливин , вадслеит и рингвудит — полиморфы, обнаруженные в верхней мантии Земли. На глубинах более 660 километров (410 миль) другие минералы, включая некоторые со структурой перовскита , стабильны. Свойства этих минералов определяют многие свойства мантии.

Рингвудит был назван в честь австралийского геолога Теда Рингвуда (1930–1993), который изучал полиморфные фазовые переходы в распространенных мантийных минералах оливине и пироксене при давлениях, эквивалентных глубинам около 600 км.

Характеристики

Рингвудит полиморфен с форстеритом, Mg 2 SiO 4 , и имеет структуру шпинели . Минералы группы шпинели кристаллизуются в изометрической системе с октаэдрическим габитусом. Оливин наиболее распространен в верхней мантии, выше примерно 410 км (250 миль); полиморфы оливина вадслеит и рингвудит, как полагают, доминируют в переходной зоне мантии, зоне, присутствующей на глубине примерно от 410 до 660 км.

Рингвудит считается наиболее распространенной минеральной фазой в нижней части переходной зоны Земли. Физические и химические свойства этого минерала частично определяют свойства мантии на этих глубинах. Диапазон давлений для стабильности рингвудита лежит в приблизительном диапазоне от 18 до 23  ГПа .

Природный рингвудит был обнаружен во многих ударных хондритовых метеоритах , в которых рингвудит встречается в виде мелкозернистых поликристаллических агрегатов . [9]

Природный рингвудит обычно содержит гораздо больше магния, чем железа, и может образовывать серию твердых растворов без зазоров от чисто магниевого конечного элемента до чисто железного конечного элемента [ требуется ссылка ] . Последний, богатый железом конечный элемент серии твердых растворов γ-оливина, γ-Fe 2 SiO 4 , был назван аренситом в честь американского физика-минералога Томаса Дж. Аренса (1936–2010). [10]

Геологические явления

В метеоритах рингвудит встречается в прожилках закаленного ударно-расплавленного материала, прорезающего матрицу и замещающего оливин, вероятно, образовавшийся во время ударного метаморфизма . [9]

В недрах Земли оливин встречается в верхней мантии на глубинах менее 410 км, а рингвудит, как предполагается, присутствует в переходной зоне на глубине от 520 до 660 км. Сейсмические разрывы активности на глубине около 410 км, 520 км и 660 км были приписаны фазовым изменениям с участием оливина и его полиморфов .

Обычно полагают, что разрыв глубины 520 км вызван переходом оливинового полиморфа вадслеита (бета-фаза) в рингвудит (гамма-фаза), тогда как разрыв глубины 660 км вызван фазовым превращением рингвудита (гамма-фаза) в силикат перовскит плюс магнезиовюстит . [11] [12]

Рингвудит в нижней половине переходной зоны, как предполагается, играет ключевую роль в динамике мантии, и пластические свойства рингвудита считаются критически важными в определении потока материала в этой части мантии. Способность рингвудита включать гидроксид важна из-за его влияния на реологию .

Рингвудит был синтезирован в условиях, соответствующих переходной зоне, содержащей до 2,6 весовых процентов воды. [13] [14]

Поскольку переходная зона между верхней и нижней мантией Земли помогает управлять масштабом переноса массы и тепла по всей Земле, присутствие воды в этом регионе, будь то глобальное или локальное, может оказывать значительное влияние на реологию мантии и, следовательно, на циркуляцию мантии. [15] В зонах субдукции поле стабильности рингвудита характеризуется высокими уровнями сейсмичности. [16]

«Сверхглубокий» алмаз (поднявшийся с большой глубины), найденный в Жуине на западе Бразилии, содержал включение рингвудита — на тот момент единственного известного образца естественного земного происхождения — таким образом, предоставляя доказательства значительного количества воды в виде гидроксида в мантии Земли. [6] [17] [18] [19] Драгоценный камень длиной около 5 мм [19] был поднят на поверхность извержением диатремы . [20] Включение рингвудита слишком мало, чтобы увидеть его невооруженным глазом. [19] Позже был найден второй такой алмаз. [21]

Резервуар мантии может содержать примерно в три раза больше воды в форме гидроксида, содержащегося в кристаллической структуре вадслеита и рингвудита, чем океаны Земли вместе взятые. [7]

Синтетический

Для экспериментов водный рингвудит был синтезирован путем смешивания порошков форстерита ( Mg
2SiO
4), брусит ( Mg(OH)
2) и кремний ( SiO
2) для получения желаемого конечного элементного состава. Помещение этого под давление 20 гигапаскалей при 1523 К (1250 °C; 2282 °F) на три или четыре часа превращает это в рингвудит, который затем можно охладить и сбросить давление. [5]

Кристаллическая структура

Рингвудит имеет структуру шпинели в изометрической кристаллической системе с пространственной группой Fd 3 m (или F 4 3 m [22] ). В атомном масштабе магний и кремний находятся в октаэдрической и тетраэдрической координации с кислородом соответственно. Связи Si-O и Mg-O имеют смешанный ионный и ковалентный характер. [23] Параметр кубической элементарной ячейки составляет 8,063 Å для чистого Mg 2 SiO 4 и 8,234 Å для чистого Fe 2 SiO 4 . [24]

Химический состав

Составы рингвудита варьируются от чистого Mg 2 SiO 4 до Fe 2 SiO 4 в экспериментах по синтезу. Рингвудит может включать до 2,6 процентов по весу H 2 O. [5]

Физические свойства

Физические свойства рингвудита зависят от давления и температуры. При давлении и температуре переходной зоны мантии расчетное значение плотности рингвудита составляет 3,90 г/см3 для чистого Mg2SiO4 ; [ 25] 4,13 г/см3 для (Mg0,91 , Fe0,09 ) 2SiO4 [ 26] пиролитической мантии; и 4,85 г/см3 для Fe2SiO4 . [ 27 ] Это изотропный минерал с показателем преломления n = 1,768 .

Цвет рингвудита варьируется между метеоритами, между различными агрегатами, содержащими рингвудит, и даже в одном агрегате. Агрегаты рингвудита могут иметь все оттенки синего, фиолетового, серого и зеленого или вообще не иметь цвета.

Более пристальный взгляд на цветные агрегаты показывает, что цвет не является однородным, но, по-видимому, происходит от чего-то с размером, похожим на кристаллиты рингвудита. [28] В синтетических образцах чистый Mg рингвудит бесцветен, тогда как образцы, содержащие более одного мольного процента Fe 2 SiO 4 , имеют темно-синий цвет. Считается, что цвет обусловлен переносом заряда Fe 2+ –Fe 3+ . [29]

Ссылки

  1. ^ Warr, LN (2021). «Утвержденные символы минералов IMA–CNMNC». Mineralogic Magazine . 85 (3): 291–320. Bibcode : 2021MinM...85..291W. doi : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID  235729616.
  2. ^ Справочник по минералогии
  3. ^ Рингвудит на Mindat.org
  4. ^ Рингвудит на Webmineral
  5. ^ abc Ye, Y.; Brown, DA; Smyth, JR; Panero, WR; Jacobsen, SD; Chang, Y.-Y.; Townsend, JP; Thomas, SM; Hauri, E.; Dera, P.; Frost, DJ (2012). "Исследование сжимаемости и теплового расширения гидросмеси Fo100 рингвудита с 2,5(3) мас.% H2O" (PDF) . American Mineralogist . 97 : 573–582. doi :10.2138/am.2012.4010. S2CID  29350628. Архивировано из оригинала (PDF) 29.06.2014.
  6. ^ ab "Редкий алмаз подтверждает, что мантия Земли содержит океан воды". Scientific American . 12 марта 2014 г. Получено 13 марта 2014 г.
  7. ^ ab Schmandt, Brandon; Jacobsen, Steven D.; Becker, Thorsten W.; Liu, Zhenxian; Dueker, Kenneth G. (13 июня 2014 г.). «Обезвоживание плавления в верхней части нижней мантии». Science . 344 (6189): 1265–1268. Bibcode :2014Sci...344.1265S. doi :10.1126/science.1253358. PMID  24926016. S2CID  206556921.
  8. ^ Binns, R A.; Davis, RJ; Reed, No SJ B (1969). "Рингвудит, природная группа шпинели (Mg,Fe)2SiO4 в метеорите Тенхэм". Nature . 221 : 943–944. doi :10.1038/221943a0. S2CID  4207095.
  9. ^ ab Chen. M, El Goresy A. и Gillet P. (2004). «Рингвудитовые пластинки в оливине: ключи к механизмам фазового перехода оливин–рингвудит в ударных метеоритах и ​​субдукционных плитах». PNAS .
  10. ^ Чи Ма, Оливер Чаунер, Джон Р. Беккет, Ян Лю, Джордж Р. Россман, Станислав В. Синогейкин, Джесси С. Смит, Лоуренс А. Тейлор (июль 2016 г.). "Аренсит, γ-Fe2SiO4, новый ударно-метаморфический минерал из метеорита Тиссинт: Последствия для ударного события Тиссинт на Марсе". Geochimica et Cosmochimica Acta . 184: 240-256. doi :10.1016/j.gca.2016.04.042
  11. ^ A. Deuss; J. Woodhouse (12 октября 2001 г.). "Сейсмические наблюдения расщепления разрыва средней переходной зоны в мантии Земли". Science . New Series. 294 (5541): 354–357. Bibcode :2001Sci...294..354D. doi :10.1126/science.1063524. PMID  11598296. S2CID  28563140.
  12. ^ GR Helffrich; BJ Wood (2001). «Мантия Земли». Nature . 412 (6846): 501–507. doi :10.1038/35087500. PMID  11484043. S2CID  4304379.
  13. ^ Дэвид Л. Кольстедт; Ганс Кепплер; Дэвид К. Руби (1996). «Растворимость воды в альфа-, бета- и гамма-фазах (Mg,Fe) 2 SiO 4 ». Вклад в минералогию и петрологию . 123 (4): 345–357. Bibcode :1996CoMP..123..345K. doi :10.1007/s004100050161. S2CID  96574743.
  14. ^ JR Smyth; CM Holl; DJ Frost; SD Jacobsen; F. Langenhorst; CA McCammon (2003). «Структурная систематика гидрослюдистого рингвудита и воды в недрах Земли». American Mineralogist . 88 (10): 1402–1407. Bibcode :2003AmMin..88.1402S. doi :10.2138/am-2003-1001. S2CID  41414643.
  15. ^ А. Кавнер (2003). «Упругость и прочность гидрослюдистого рингвудита при высоком давлении». Earth and Planetary Science Letters . 214 (3–4): 645–654. Bibcode : 2003E&PSL.214..645K. doi : 10.1016/s0012-821x(03)00402-3.
  16. ^ Y. Xu; DJ Weider; J.Chen; MT Vaughan; Y. Wang; T. Uchida (2003). «Закон течения для рингвудита в условиях зоны субдукции». Physics of the Earth and Planetary Interiors . 136 (1–2): 3–9. Bibcode : 2003PEPI..136....3X. doi : 10.1016/s0031-9201(03)00026-8.
  17. ^ Ричард А. Ловетт (12 марта 2014 г.). «Крошечная алмазная примесь раскрывает водные богатства глубин Земли». Nature . doi :10.1038/nature.2014.14862. S2CID  138212710.
  18. ^ DG Pearson; FE Brenker; F. Nestola; J. McNeill; L. Nasdala; MT Hutchison; S. Matveev; K. Mather; G. Silversmit; S. Schmitz; B. Vekemans; L. Vincze (13 марта 2014 г.). "Переходная зона гидромантии, обозначенная рингвудитом, включенным в алмаз" (PDF) . Nature . 507 (7491): 221–224. Bibcode :2014Natur.507..221P. doi :10.1038/nature13080. PMID  24622201. S2CID  205237822.
  19. ^ abc Sample, Ian (12 марта 2014 г.). «Необработанный алмаз намекает на огромное количество воды внутри Земли». The Guardian . Получено 6 декабря 2014 г. .
  20. ^ "образец недели: рингвудит". super/collider. Архивировано из оригинала 28 декабря 2014 г. Получено 6 декабря 2014 г.
  21. ↑ Энди Коглан (21 июня 2014 г.). «Огромный „океан“ обнаружен в районе ядра Земли». New Scientist .
  22. ^ Структура шпинели более точно описывается как F 4 3 m , согласно NW Grimes; et al. (8 апреля 1983 г.). "Новая симметрия и структура шпинели". Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки . 386 (1791): 333–345. Bibcode :1983RSPSA.386..333G. doi :10.1098/rspa.1983.0039. JSTOR  2397417. S2CID  96560029.
  23. ^ Прайс, Джеффри Д.; Паркер, Стивен К. (апрель 1984 г.). «Компьютерное моделирование структурных и физических свойств полиморфов оливина и шпинели Mg 2 SiO 4 ». Физика и химия минералов . 10 (5): 209–216. Bibcode :1984PCM....10..209P. doi :10.1007/BF00309313. S2CID  96165079.
  24. ^ Смит, Дж. Р. и Т. К. Маккормик (1995). «Кристаллографические данные для минералов». в (ред. Т. Дж. Аренс) « Минеральная физика и кристаллография: Справочник физических констант» , AGU Washington DC, 1–17.
  25. ^ Katsura, T., Yokoshi, S., Song, M., Kawabe, K., Tsujimura, T., Kubo, A., Ito, E., Tange, Y., Tomioka, N., Saito, K. и Nozawa, A. (2004). "Тепловое расширение рингвудита Mg2SiO4 при высоких давлениях ". Journal of Geophysical Research: Solid Earth . 109 (B12): B12. Bibcode : 2004JGRB..10912209K. doi : 10.1029/2004JB003094.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ Nishihara, Y., Takahashi, E., Matsukage, KN, Iguchi, T., Nakayama, K., & Funakoshi, KI (2004). "Термическое уравнение состояния (Mg 0,91 ,Fe 0,09 ) 2 SiO 4 рингвудита". Physics of the Earth and Planetary Interiors . 143 : 33–46. Bibcode :2004PEPI..143...33N. doi :10.1016/j.pepi.2003.02.001.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  27. ^ Арментроут, М. и Кавнер, А. (2011). «Высокое давление, высокая температура уравнения состояния для рингвудита Fe2SiO4 и последствия для переходной зоны Земли». Geophysical Research Letters . 38 (8): n/a. Bibcode : 2011GeoRL..38.8309A. doi : 10.1029/2011GL046949 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. ^ Lingemann CM и D. Stöffler 1994. «Новые доказательства окраски и образования рингвудита в сильно потрясенных хондритах». Lunar and Planetary Science XXIX , стр. 1308.
  29. ^ Keppler, H.; Smyth, JR (2005). «Оптические и ближние инфракрасные спектры рингвудита до 21,5 ГПа». American Mineralogist . 90 : 1209–1214. doi :10.2138/am.2005.1908. S2CID  32069655.