跳到主要内容

感谢您访问nature.com。您使用的浏览器版本对CSS的支持有限。为获得最佳体验,我们建议您使用最新版本的浏览器(或关闭Internet Explorer的兼容模式)。同时,为了确保持续的支持,我们将不使用样式和JavaScript来显示站点。

铁的证据3 +富热石质下地幔含(Al,Fe)桥辉石弹性数据

一个作者修正本文于2018年5月16日发布

这篇文章是更新

摘要

地球下地幔的化学成分可以通过地震学观测和矿物物理弹性测量相结合来加以限制123.。然而,缺乏地球上最丰富的矿物(Mg,Fe,Al)(Al,Fe,Si)O的实验室数据3.桥菱铁矿(也被称为硅酸盐钙钛矿)阻碍了任何结论性的结果。本文报道了含(Al,Fe)的桥菱石(Mg)的单晶弹性数据0.90.1如果0.9艾尔0.1阿)3.使用高压布里渊光谱和x射线衍射测量。我们的测量表明,含(Al,Fe)的桥菱石的弹性行为与MgSiO的行为明显不同3.endmember24。我们用我们的数据来模拟下地幔顶部的地震波速度,假设这是一个火成岩5地幔组成及其对桥辉石和铁方长石之间铁分配随深度变化的解释67。我们发现我们的矿物物理预测与地震初步参考地球模型之间非常吻合8至少深达1200公里,表明上地幔和浅下地幔的化学均匀性。高铁3 +/铁2 +为了与地震资料相匹配,下地幔桥辉岩中金属铁的比值约为2,这意味着等化学地幔中存在金属铁。我们计算的速度与深度超过1200公里的下地幔的速度越来越不一致,这表明要么是桥菱铁矿阳离子顺序的变化,要么是下地幔中铁含量的减少。

这是订阅内容的预览,通过你的机构访问

相关的文章

引用这篇文章的开放获取文章。

访问选项

买条

在ReadCube上获得时间限制或完整的文章访问。

32.00美元

所有价格均为净价。

图1:实验设置和结果。
图2:含(Al,Fe)桥菱石平均声速的压力依赖性(红圈)。
图3:基于矿物物理的地震模型。
图4:模拟地震速度与PREM随深度的偏差。

改变历史

  • 2018年5月16日

    在这封信中,扩展数据表1中报告的一些弹性常数和544页手稿中引用的室温弹性常数的值不正确,这是由于用于生成数字的脚本错误造成的。这些错误已在网上更正。

参考文献

  1. Cammarano, F., Marquardt, H., Speziale, S. & Tackley, P. J.铁长石中铁自旋转变对地震解释的作用:中地幔广泛的热化学转变?地球物理学。卷。37, 1033308 (2010)

    文章广告中科院谷歌学者

  2. Murakami, M, Ohishi, Y, Hirao, N. & Hirose, K.根据高压、高温声速数据推断的钙钛矿下地幔。自然485, 90-94 (2012)

    文章广告中科院谷歌学者

  3. 科布登等人。下地幔一维地震资料的热化学解释:非绝热梯度和成分非均质性的意义。j .地球物理学。Res。114, b11309 (2009)

    文章广告中科院谷歌学者

  4. Chantel, J, Frost, D. J, McCammon, C. A, Jing, Z.和Wang, Y.纯含铁硅酸镁钙钛矿在25 GPa和1200 K下的声速测量。地球物理学。卷。39, 19307 (2012)

    文章广告中科院谷歌学者

  5. Ringwood, A. E.上地幔模型。j .地球物理学。Res。67, 857-867 (1962)

    文章广告谷歌学者

  6. Nakajima, Y., Frost, D. J. & Rubie, D. C. .硅酸镁钙钛矿和铁长石之间的铁分配和下地幔中钙钛矿的组成。j .地球物理学。Res。117, b08201 (2012)

    广告谷歌学者

  7. Irifune, T.等。地球下地幔中软锰矿的铁分配与密度变化。科学327, 193-195 (2010)

    文章广告中科院谷歌学者

  8. Dziewonski, A. M. & Anderson, D. L.初步参考地球模型。理论物理。地球的星球。国际米兰。25, 297-356 (1981)

    文章广告谷歌学者

  9. 钙钛矿作为下地幔中铁的可能汇。自然387, 694-696 (1997)

    文章广告中科院谷歌学者

  10. 王晓,土家,T. & Hase, a .含铁下地幔的计算支持。Geosci Nat。8, 556-559 (2015)

    文章广告中科院谷歌学者

  11. 张树强,刘涛,刘涛,Stackhouse, S.和Militzer, B.含铁和含铝MgSiO3的高压、温度弹性:对地球下地幔的影响。地球的星球。科学。列托人。434, 264-273 (2016)

    文章广告中科院谷歌学者

  12. 聚焦离子束在金刚石砧细胞高压实验中单晶样品的制备和表征。点。矿物。97, 299-304 (2012)

    文章广告中科院谷歌学者

  13. 张俊杰,张俊杰,张俊杰。单晶和多晶MgSiO3钙钛矿的布里因光谱弹性。地球物理学。卷。31, 106620 (2004)

    文章广告中科院谷歌学者

  14. Li, L.等。(Mg, Fe)(Si, Al) o3 -钙钛矿的高压弹性。地球的星球。科学。列托人。240, 529-536 (2005)

    文章广告中科院谷歌学者

  15. Yeganeh-Haeri, A.单晶硅酸镁钙钛矿弹性性能的合成与再研究。理论物理。地球的星球。国际米兰。87, 111-121 (1994)

    文章广告中科院谷歌学者

  16. 李斌,张杰。MgSiO3钙钛矿弹性波速与下地幔组成的压力和温度依赖性。理论物理。地球的星球。国际米兰。151, 143-154 (2005)

    文章广告中科院谷歌学者

  17. Boffa Ballaran, T.等。化学作用对下地幔硅酸盐钙钛矿可压缩性的影响。地球的星球。科学。列托人。333 - 334, 181-190 (2012)

    文章广告中科院谷歌学者

  18. Shukla, G., Cococcioni, M.和Wentzcovitch, R. M. Fe3的热弹性+含铁和含铝桥菱石:铁自旋交叉的影响。地球物理学。卷。43, 5661-5670 (2016)

    文章广告中科院谷歌学者

  19. Jackson, J. M., Zhang, J., Shu, J., Sinogeikin, S. V. and Bass, J. D. MgSiO3铝质钙钛矿45gpa高压声速和弹性:地球下地幔横向非均质性的意义。地球物理学。卷。32, l21305 (2005)

    文章广告中科院谷歌学者

  20. Murakami, M, Sinogeikin, s.v, Hellwig, H., Bass, J. D.和Li, J. Mbar压力下MgSiO3钙钛矿的声速。地球的星球。科学。列托人。256, 47-54 (2007)

    文章广告中科院谷歌学者

  21. 林,肯尼迪。,Speziale, S., Mao, Z. & Marquardt, H. Effects of the electronic spin transitions of iron in lower-mantle minerals: implications to deep-mantle geophysics and geochemistry.启“。51, 244-275 (2013)

    文章广告谷歌学者

  22. 弗罗斯特,d.j.等人。地球下地幔中存在富铁金属的实验证据。自然428, 409-412 (2004)

    文章广告中科院谷歌学者

  23. Sinmyo, R., Hirose, K., Muto, S., Ohishi, Y.和Yasuhara, A.地球最下层地幔中铁的价态和分配。j .地球物理学。Res。116, b07205 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  24. 深尾,Y. & Obayashi, M.俯冲板块在660公里的不连续面下方停滞、穿透并被困。j .地球物理学。Res。118, 2013jb010466 (2013)

    文章谷歌学者

  25. 地幔对流和板块构造:走向一个综合的物理和化学理论。科学288, 2002-2007 (2000)

    文章广告中科院谷歌学者

  26. 沃尔特,M. J.等。海洋地壳的深层地幔循环:来自钻石及其矿物包裹体的证据。科学334, 54-57 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  27. 地球下地幔的弹性、组成和温度:重新评估。地球物理学。j . Int。134, 291-311 (1998)

    文章广告谷歌学者

  28. 史密斯,e.m.等。巨大的宝石钻石来自地球深部地幔的金属液体。科学354, 1403-1405 (2016)

    文章广告中科院谷歌学者

  29. Marquardt, H., Speziale, S., Reichmann, H. J., Frost, D. J.和Schilling, F. R.。(Mg0.9Fe0.1)O在81 GPa下的单晶弹性。地球的星球。科学。列托人。287, 345-352 (2009)

    文章广告中科院谷歌学者

  30. 张震,Stixrude, L. & Brodholt, J. mgsio3 -钙钛矿在下地幔条件下的弹性性质及深部地球组成。地球的星球。科学。列托人。379, 1-12 (2013)

    文章广告中科院谷歌学者

  31. Catalli, K.等。铁的影响3 +自旋跃迁对铝钙钛矿性质的影响——下地幔地震非均质性的新认识。地球的星球。科学。列托人。310, 293-302 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  32. mcammon, C.下地幔(Mg,Fe)(Si,Al)O3钙钛矿离子电导率的证据。j .地球物理学。Res。107, 2251 (2002)

    广告谷歌学者

  33. 鲁道夫,M. L., Lekic ', V.和Lithgow-Bertelloni, C.地球中地幔的粘度跳变。科学350, 1349-1352 (2015)

    文章广告中科院谷歌学者

  34. Marquardt, H., Speziale, S., koch - m ller, M., Marquardt, K. & Capitani, G. C.(010)平面高压拉曼和布里渊光谱测量单晶反长岩的结构和弹性。点。矿物。One hundred., 1932-1939 (2015)

    文章广告谷歌学者

  35. Schulze, K., Buchen, J., Marquardt, K.和Marquardt, H.在金刚石-砧细胞中进行比较物理特性测量的多样品加载技术。高的媒体。Res。(在媒体上)

  36. 坎特,I.等。BX90:一种用于x射线衍射和光学测量的新型金刚石砧池设计。启科学。Instrum。83, 125102 (2012)

    文章广告中科院谷歌学者

  37. Kurnosov, A.等。一种用于各种类型金刚石砧孔机械闭合的新型气体加载系统。启科学。Instrum。79, 045110 (2008)

    文章广告中科院谷歌学者

  38. Whitfield, C. H, Brody, E. M. & Bassett, W. a . NaCl在高压下布里渊散射的弹性模量。启科学。Instrum。47942-947 (1976)

    文章广告中科院谷歌学者

  39. sisinogeikin, S. V. & Bass, J. D.金刚石胞内布里渊散射的单晶弹性。理论物理。地球的星球。国际米兰。120, 43-62 (2000)

    文章广告中科院谷歌学者

  40. Speziale, S, Marquardt, H. & Duffy, T. S. in矿物学和材料科学中的光谱方法,卷。78, 543-603(美国矿产学会,2014)

    中科院谷歌学者

  41. Trots等人。Li2B4O7的弹性与状态方程。理论物理。化学。矿工。38, 561-567 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  42. Angel, R. & Finger, L. W. SINGLE:控制单晶衍射仪的程序。j:。结晶的。44, 247-251 (2011)

    文章中科院谷歌学者

  43. 帕马托,m.g.等。多数石榴石的单晶弹性:过渡带底部的滞流板和热异常。地球的星球。科学。列托人。451, 114-124 (2016)

    文章广告中科院谷歌学者

  44. Stixrude, L. & Lithgow-Bertelloni, C.地幔矿物热力学- 1 .物理性质。地球物理学。j . Int。162, 610-632 (2005)

    文章广告谷歌学者

  45. 麦克多诺,W. F. &孙,s . s .;地球的组成。化学。青烟。120, 223-253 (1995)

    文章广告中科院谷歌学者

  46. 施特鲁德,L. & Lithgow-Bertelloni, C.地幔矿物热力学[j]。相平衡。地球物理学。j . Int。184, 1180-1213 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  47. Canil, D. & O 'Neill, H. S. C.上地幔组合中铁的分布。j .汽油。37, 609-635 (1996)

    文章广告中科院谷歌学者

  48. Brown, J. M.和Shankland, T. J. .由地震剖面确定的地球热力学参数。地球物理学。j·r·阿斯特隆。Soc。66, 579-596 (1981)

    文章广告数学谷歌学者

  49. 林J. F.等。热致密铁的声速;重新审视伯奇定律。科学308, 1892-1894 (2005)

    文章广告中科院谷歌学者

  50. Tange, Y., Takahashi, E., Nishihara, Y., Funakoshi, K.-i。MgO-FeO-SiO2系统在50 GPa和2000°C下的相关系:使用烧结金刚石砧的多砧装置的实验技术的应用。j .地球物理学。Res。114, b02214 (2009)

    广告谷歌学者

  51. Wolf, A. S, Jackson, J. M, Dera, P. & Prakapenka, V. B. (Mg, Fe)SiO3桥锰矿(钙钛矿)的热态方程及其对下地幔结构的影响。j .地球物理学。Res。120, 7460-7489 (2015)

    文章广告中科院谷歌学者

  52. 对压力-体积-温度状态方程的启示。j .地球物理学。B >106, 515-528 (2001)

    文章广告中科院谷歌学者

  53. 费舍尔,r.a.等。FeO的状态方程和相图。地球的星球。科学。列托人。304, 496-502 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  54. 徐,W., Lithgow-Bertelloni, C., Stixrude, L.和Ritsema, J.地幔体积成分和温度对地震构造的影响。地球的星球。科学。列托人。275, 70-79 (2008)

    文章广告中科院谷歌学者

下载参考

致谢

本研究由德国科学基金会Emmy-Noether计划(MA4534/3-1)资助的“GeoMaX”项目和欧盟第七框架计划资助的ERC高级资助号227893“DEEP”项目资助。BGI拜罗伊特的FEI Scios FIB机器由INST 91/315-1 FUGG资助。H.M.感谢巴伐利亚科学院的支持。我们感谢J. Buchen在创作方面的协助图1 c, H. Schulze为样品抛光,K. Marquardt为FIB设备提供帮助。

作者信息

作者及单位

作者

贡献

a.k., h.m., D.F.和T.B.B.设计了这项研究。L.Z.合成了桥菱石样品。A.K.进行了实验并分析了布里渊数据。T.B.B.进行了XRD分析。D.F.和H.M.讨论了论文的内容并进行了建模。H.M.写了论文草稿。所有作者都对手稿作了评论。

相应的作者

对应到h·马夸特

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有与之竞争的经济利益。

额外的信息

审核人信息自然感谢I. Jackson和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

扩展数据图和表

扩展数据图1 FeAlO的效果3.MgSiO的室压弹性模量3.bridgmanite。

红圈表示基于本研究的含(Al,Fe)桥菱铁矿和早期单晶MgSiO布里渊散射工作的数据3.bridgmanite13。蓝色和绿色符号表示计算研究1418

扩展数据图2密度(红色曲线)作为我们模型计算的深度函数。

虚线对应PREM。

扩展数据图3 (Mg)的模拟声速0.90.1如果0.9艾尔0.1阿)3.(红色曲线)以及本研究的实验数据。

扩展数据图4模拟声速。

(毫克0.90.1) 0(红色曲线)以及实验数据29。35 GPa以下的数据被用来约束模型中FeO和MgO组分的物理性质,因为铁自旋跃迁的影响没有被模型捕获。在地幔的温度条件下,铁自旋交叉的影响将转移到本研究中所模拟的深度之外21因此,与目前的贡献无关。

扩展数据图5 fe分区系数KD(应用)从我们的模型与以前的实验数据进行比较,测量了一个热石质地幔的组成。

热力学模型不仅与桥菱铁矿和铁长石的现有弹性数据相匹配(图3 .扩展数据4),还再现了在无铝和含铝体系中这些相之间随深度的Fe-Mg分配变化。

图6桥菱石抛光单晶二次电子图像。

晶体被聚焦的离子束切割成半圆1234

扩展数据图7布里渊谱中随信噪比变化的标准差。

扩展数据表1 (Mg)的高压弹性常数总结0.90.1如果0.9艾尔0.1阿)3.
扩展数据表2 MgSiO报告的环境压力弹性常数摘要3.和含(Fe,Al) MgSiO3.从实验和理论两方面进行工作
扩展数据表3用于模型计算的参数摘要

幻灯片

源数据

权利和权限

转载及权限

关于本文

通过CrossMark验证货币和真实性

引用本文

库尔诺索夫,A,马夸特,H,弗罗斯特,D。et al。铁的证据3 +富热石质下地幔含(Al,Fe)桥辉石弹性数据。自然543, 543-546(2017)。https://doi.org/10.1038/nature21390

下载引用

  • 收到了

  • 接受

  • 发表

  • 发行日期

  • DOIhttps://doi.org/10.1038/nature21390

这篇文章是由

评论

通过提交评论,您同意遵守我们的条款社区指导原则。如果你发现一些滥用或不符合我们的条款或指导方针,请标记为不适当。

搜索

快速链接

自然简报

报名参加自然简报时事通讯-科学中重要的事情,每天免费发送到您的收件箱。

获取当天最重要的科学故事,免费在您的收件箱。 报名参加Nature Briefing
Baidu
map