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卡西欧的地震速度3.钙钛矿可以解释地球下地幔中的LLSVPs

自然体积572，页面643 - 647 (2019）引用本文

主题

本文已被更新

摘要

地震学记录了贯穿下地幔的各种非均质性1，2但是这些信号的来源——无论是热的还是化学的——仍然是不确定的，因此它们所包含的关于地球深处本质的许多信息都是模糊的。准确地解释观测到的地震速度需要了解地球上所有可能的矿物成分的地震特性。硅酸钙(CaSiO3.钙钛矿被认为是整个下地幔中第三丰富的矿物。在这里，我们同时测量了卡西欧样品的晶体结构和横波和压缩波速度3.钙钛矿，并对该材料的绝热体模量和剪切模量提供了直接约束。我们观察到钛元素融入卡西欧3.钙钛矿在较高的温度下稳定了四方结构，材料的剪切模量大大低于通过计算预测的3.，4，5或者热力学数据集6．结合文献资料和外推，我们的结果表明，俯冲的海洋地壳将在整个下地幔中以低地震速度异常可见。特别地，我们证明了大的低剪切速度省(LLSVPs)与循环海洋地壳的适度富集相一致，并且中地幔不连续可以用含ti CaSiO的四方立方相变来解释3.钙钛矿。

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图1:立方卡西欧的纵波速度和横波速度3.钙钛矿和之前的研究。
图2:卡西欧中立方-四方相变的x射线衍射图3.钙钛矿。
图3:Ca-Pv样品在高声速下的声速PT条件。
图4:基于本研究建立的含Ca-Pv的下地幔相组合速度剖面。

数据可用性

原始数据在格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施收集，可从https://doi.org/10.5285/6db95d87-365f-4018-abec-00e96e8fcf8d．本研究的衍生数据，其中包括Figs的源数据。2而且3.和扩展数据图。1而且5的补充表．

改变历史

  • 8月23日

    由于技术错误，本函未按原声明于2019年8月14日在网上发布，而是于2019年8月15日首次在网上发布。这封信已在网上更正。

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下载参考

确认

我们感谢NERC拨款NE/PO17657/1和NE/M00046X/1，以及ESRF波束时间提案ES-464和ES-636的支持。我们感谢G. Manthilake和D. Freitas的帮助，并从Laboratoire Magmas et Volcans借给我们超声波设备，用于本研究的初始实验。Pixirad-8探测器的使用得到了法国政府通过“avenir投资”计划的支持，参考编号为ANR-10-AIRT-05。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 伦敦大学学院地球科学系，英国伦敦

    A. R.汤姆森，J. P.布罗德霍特，I. G.伍德，D. P.多布森和S. A.亨特

  2. ESRF -欧洲同步加速器，格勒诺布尔，法国

    A. R.汤姆森& W. A.克莱顿

  3. 奥斯陆大学地球演化与动力学中心，挪威奥斯陆

    j·p·布罗德霍特

  4. 拜罗伊特大学地球研究所，德国拜罗伊特

    n.c.西施

  5. 英国利兹大学地球与环境学院

    缪尔

作者
  1. A. R.汤姆森
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  2. w·a·克莱顿
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  3. j·p·布罗德霍特
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  4. 伍德
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  5. n.c.西施
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  6. 缪尔
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  7. d·p·多布森
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  8. S. A.亨特
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贡献

A.R.T.设计、执行和分析实验，从文献中收集数据，并撰写手稿。W.A.C.在ESRF的ID06设计并开发了实验程序。I.G.W.协助解释和细化衍射数据。J.P.B, D.P.D, W.A.C和N.C.S.在ESRF进行了两次实验。J.M.R.M.进行了计算模拟。S.A.H.协助数据分析。所有作者都对论文的科学讨论和准备做出了贡献。

相应的作者

对应到A. R.汤姆森．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意:施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

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

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1 CaSiO的晶格和衍射峰参数3.和Ca(如果0.6“透明国际”0.4] O3.钙钛矿。

一个- - - - - -d，从Ca[Si]中改进了晶格参数和伪立方单位胞体积0.6“透明国际”0.4] O3.（一个，c)和卡西欧3.（b，d)以2作为实验温度的函数σ不确定性。e，卡西欧衍射峰(见关键字)的半最大全宽(FWHM)3.钙钛矿样品，在高温下归一化到FWHM，在一个单独的实验中以100 K的间隔测量图。2．

扩展数据图2卡西欧x射线衍射图3.钙钛矿。

所示为卡西欧叠加衍射图3.钙钛矿;每个面板显示300k, 373 K和473 K的数据一个）.一个、图案饱满;b，c，模式限制在2θ范围允许指示弱超晶格峰。Ca-Pv样品、MgO、NaCl和Au的衍射峰的位置用标记标记出来，其他的小峰来自硼环氧和/或炉组分。立方Ca-Pv峰用指数标记，hkl，加粗。衍射图样显示了小超晶格在T= 373k和300k在2θ值约为6.1°，8.05°，12.1°和13.2°(我们注意到，在2处有一个额外的超晶格反射被遮挡θ= 10.5°)hkl在四边形上索引(我4 /罗马数字)并以金星标记。

图3精细的Ca[Si] x射线衍射图0.6“透明国际”0.4] O3.钙钛矿。

一个- - - - - -c， Ca[Si]的Rietveld细化物0.6“透明国际”0.4] O3.样品:一个,在P21/c与实验室6校准器，在300k和环境压力下;b，在四边形中我4 /米结构(与其他电池组件)在890k和高压(约12gpa);而且c,在\ \ (Fm \酒吧{3}米)在1336 K和高压(12 GPa)。在每个面板中，黑点是收集到的数据，蓝色曲线是模型模式，绿色曲线是残差。彩色的标记表示每个相的衍射峰的位置。

图4 Ca[Si]的x射线衍射图0.6“透明国际”0.4] O3.钙钛矿。

一个， Ca[Si]的完整衍射图样0.6“透明国际”0.4] O3.样品在12 GPa左右随温度变化，衍射强度由颜色缩放引起。b- - - - - -h，放大面板一个重点研究了311、222、400、422、440、620和444衍射峰的温度演化(b- - - - - -h分别;使用的立方晶格索引一个≈7.3 Å)，展示了立方和四方/单斜结构之间热膨胀率的变化，并允许视觉识别所观察到的相变。

扩展数据图5从头计算模拟和实验得出的钙钛矿钙贯穿地幔的相图。

显示的是基于从头算(实心圆)和实验(三角形)约束在整个地幔中推断出的立方-四方转换。垂直误差条(1σ)和灰色包络(80%置信区间)表示本研究计算结果的不确定性。1500 K地幔绝热岩和冷板块温度剖面绘制为红色曲线，红色虚线箭头表示700-1,000 km深度板块停滞期间发生的变暖。前期实验结果18，23和计算3.研究分别以开放符号和灰色曲线表示。

扩展数据图6卡西欧的状态方程3.钙钛矿。

一个，光伏四方卡西欧EoS3.在300k时，仅拟合本研究的数据(紫色线)，并结合以往研究的数据(粗黑色曲线)。只有带有大符号的数据，即使用压力传输介质的数据，才包含在EoS的装配中。所有小符号都来自于没有使用压力传递介质的实验，因此由于体积预计会受到残余样品应力的影响，因此被排除在外。此外，Wang等人的数据。47由于他们在大体积压力机中使用能量色散衍射，体积不确定性较大，因此被排除在外。误差条表示压力和体积的不确定性，如以前的研究报告。四方Ca-Pv的计算EoS被绘制为虚线曲线以便比较3.，17，19，45，47，59，60，61，62，63，64．b，PVT立方体卡西欧EoS3.298k的钙钛矿和1600k的绝热曲线符合本研究和先前研究的数据。小的，部分透明的符号是未包括在拟合中的文献数据，要么是由于低于立方-四方转换的计算斜率(方法)，要么是由于对数据准确性的担忧。插图直方图显示了拟合数据与最佳拟合模型相比残差的近似正态分布，表明缺乏异常值45，46，47，48．

图7 CaSiO的体声速和体模量3.钙钛矿。

一个，本研究通过沿1600 K地幔绝热岩和在300 K处的EoS预测了Ca-Pv的体声速，与之前对1600 K绝热岩的计算研究结果进行了比较4，5，6，与之前发表的文章相符PVT衍射数据，PREM15．b， CaSiO的绝热体积模量3.利用本研究的有限应变模型，在300k和1600 K地幔绝热岩下计算钙钛矿，并与Stixrude等人的热力学结果进行了比较。6以及之前的高温计算研究4，5．

扩展数据图8范例射线图像、超声数据和实验细胞设计示意图。

一个，用于测量Ca[Si中样品长度的平面视图同步射线成像示例0.6“透明国际”0.4] O3.样本。b卡西欧(CaSiO)上“runa”实验的超声波信号3.样本。c，本研究中超声实验中使用的实验组件截面(按比例)。

图9衍射和超声测量的体声速比较。

所示为计算出的大块声速的比较PVTEoSs，拟合文献衍射数据(实体曲线)，用2σ阴影区域显示的不确定性，仅为Gréaux等人报道的不确定性。20.(虚线曲线)，通过超声波测量计算出体声速v散装= (vP2−4/3v年代2）0．5查阅来自Gréaux等的数据。20.(正方形)和这个研究(圆形)。所有曲线和符号都以温度的颜色表示(颜色刻度在右侧)。

补充信息

补充表

补充表1-7

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汤姆逊，a.r.，克莱顿，w.a.，布罗德霍特，j.pet al。卡西欧的地震速度3.钙钛矿可以解释地球下地幔中的LLSVPs。自然572， 643-647(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1483-x

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