Dolny płaszcz (Ziemia)
Dolny płaszcz , historycznie znany również jako mezosfera , stanowi około 56% całkowitej objętości Ziemi i jest regionem od 660 do 2900 km pod powierzchnią Ziemi ; między strefą przejściową a rdzeniem zewnętrznym . Wstępny referencyjny model Ziemi (PREM) dzieli dolny płaszcz na trzy sekcje: najwyższą (660–770 km), środkowo-dolną (770–2700 km) i warstwę D (2700–2900 km). Ciśnienie i temperatura w dolnym zakresie płaszcza od 24–127 GPa i 1900–2600 K . Zaproponowano, że skład dolnego płaszcza jest pirolityczny i zawiera trzy główne fazy: brydgmanit , ferroperyklaz i perowskit wapniowo-krzemianowy. Wykazano, że wysokie ciśnienie w dolnym płaszczu indukuje przemianę spinową brydgmanitu i ferroperyklazy zawierającego żelazo, co może wpływać zarówno na pióropusza płaszcza , jak i chemię dolnego płaszcza.
Górna granica jest określona przez gwałtowny wzrost prędkości i gęstości fal sejsmicznych na głębokości 660 kilometrów (410 mil). Na głębokości 660 km ringwoodyt ( γ-(Mg,Fe)
2 SiO
4 ) rozkłada się na perowskit Mg-Si i magneziowüstite . Ta reakcja wyznacza granicę między płaszczem górnym a płaszczem dolnym . Pomiar ten jest szacowany na podstawie danych sejsmicznych i eksperymentów laboratoryjnych pod wysokim ciśnieniem. Podstawa mezosfery obejmuje D ″ strefa, która leży tuż nad granicą płaszcz-rdzeń na około 2700 do 2890 km (1678 do 1796 mil). Podstawa dolnego płaszcza wynosi około 2700 km.
Właściwości fizyczne
Dolny płaszcz był początkowo oznaczony jako warstwa D w sferycznie symetrycznym modelu Ziemi Bullena. Model sejsmiczny wnętrza Ziemi PREM podzielił warstwę D na trzy charakterystyczne warstwy zdefiniowane przez nieciągłość fal sejsmicznych :
- 660–770 km: Nieciągłość prędkości fali kompresji (6–11%), po której następuje stromy gradient, wskazuje na przemianę mineralnego ringwoodytu w brydgmanit i ferroperyklazę oraz przejście między warstwą strefy przejściowej do dolnego płaszcza.
- 770–2700 km: Stopniowy wzrost prędkości wskazujący na adiabatyczną kompresję faz mineralnych w dolnym płaszczu.
- 2700–2900 km: Warstwa D jest uważana za przejście od dolnego płaszcza do zewnętrznego rdzenia .
Temperatura dolnego płaszcza waha się od 1960 K (1690 ° C; 3070 ° F) w najwyższej warstwie do 2630 K (2360 ° C; 4270 ° F) na głębokości 2700 kilometrów (1700 mil). Modele temperatury dolnego płaszcza przybliżają konwekcję jako główny udział w transporcie ciepła, podczas gdy przewodzenie i radiacyjny transfer ciepła są uważane za pomijalne. W rezultacie gradient temperatury dolnego płaszcza w funkcji głębokości jest w przybliżeniu adiabatyczny. Obliczenie gradientu geotermalnego wykazało spadek z 0,47 kelwina na kilometr (0,47 ° C / km; 1,4 ° F / milę) na najwyższym dolnym płaszczu do 0,24 kelwina na kilometr (0,24 ° C / km; 0,70 ° F / mi) w 2600 kilometrów (1600 mil).
Kompozycja
Dolny płaszcz składa się głównie z trzech składników: brydgmanitu, ferroperyklazy i perowskitu wapniowo-krzemianowego (CaSiO 3 -perowskit). Proporcje każdego składnika były historycznie przedmiotem dyskusji, w których sugerowano skład masowy,
- Pirolityczny: wywodzący się z petrologicznych trendów składu perydotytu górnego płaszcza , sugerujący jednorodność między górnym i dolnym płaszczem ze stosunkiem Mg/Si równym 1,27. Z tego modelu wynika, że dolny płaszcz składa się z 75% brydgmanitu, 17% ferroperyklazy i 8% objętościowych CaSiO3-perowskitu .
- Chondrytyczny: sugeruje, że dolny płaszcz Ziemi został narośnięty ze składu meteorytu chondrytowego , co sugeruje, że stosunek Mg/Si wynosi około 1. To sugeruje, że głównymi składnikami są bridgmanit i CaSiO 3 -perowskity.
pirolitu z użyciem wielu kowadeł symulowały warunki geotermii adiabatycznej i mierzyły gęstość za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej in situ . Wykazano, że profil gęstości wzdłuż geotermii jest zgodny z PREM . Pierwsze podstawowe obliczenie profilu gęstości i prędkości w geotermie dolnego płaszcza o różnych proporcjach brydgmanitu i ferroperyklazu wykazało zgodność z modelem PREM w proporcji 8: 2. Ta proporcja jest zgodna z masowym składem pirolizy w dolnym płaszczu. Ponadto obliczenia prędkości fali ścinania pirolitycznych kompozycji dolnego płaszcza, uwzględniające mniejsze pierwiastki, dały zgodność z profilem prędkości ścinania PREM w granicach 1%. Z drugiej strony, spektroskopowe Brillouina przy odpowiednich ciśnieniach i temperaturach wykazały, że dolny płaszcz składający się z ponad 93% fazy bridgmanitowej ma prędkości fali poprzecznej odpowiadające zmierzonym prędkościom sejsmicznym. Sugerowany skład jest zgodny z dolnym płaszczem chondrytowym. Zatem skład masowy dolnego płaszcza jest obecnie przedmiotem dyskusji.
Strefa zmian wirowania
Środowisko elektronowe dwóch minerałów zawierających żelazo w dolnym płaszczu (brydgmanit, ferroperyklaza) przechodzi ze stanu o wysokim spinie (HS) do stanu o niskim spinie (LS). Fe 2+ w ferroperyklazie przechodzi przemianę między 50–90 GPa. Bridgmanit zawiera zarówno Fe 3+ , jak i Fe 2+ w strukturze, Fe 2+ zajmują miejsce A i przechodzą do stanu LS przy 120 GPa. Podczas gdy Fe 3+ zajmuje zarówno miejsca A, jak i B, miejsce B Fe 3+ przechodzi przejście z HS do LS przy 30–70 GPa, podczas gdy miejsce A Fe 3+ wymienia się z miejscem B Al 3+ kation i staje się LS. To przekształcenie spinowe kationu żelaza powoduje wzrost współczynnika podziału między ferroperyklazą i brygmanitem do 10–14, zubażając brydgmanit i wzbogacając ferroperyklazę w Fe 2+ . Doniesiono, że przejście HS do LS wpływa na właściwości fizyczne minerałów zawierających żelazo. Na przykład odnotowano wzrost gęstości i nieściśliwości ze stanu HS do stanu LS w ferroperyklazie. Wpływ przejścia spinowego na właściwości transportowe i reologię dolnego płaszcza jest obecnie badany i omawiany za pomocą symulacji numerycznych.
Historia
Mezosfera (nie mylić z mezosferą , warstwą atmosfery ) pochodzi od „powłoki mezosfery”, ukutej przez Reginalda Aldwortha Daly'ego , profesora geologii Uniwersytetu Harvarda . W tektoniki przedpłytowej Daly (1940) wywnioskował, że zewnętrzna Ziemia składa się z trzech sferycznych warstw: litosfery (w tym skorupy ), astenosfery i powłoki mezosferycznej. Hipotetyczne głębokości Daly do granicy litosfery i astenosfery wahały się od 80 do 100 km (50 do 62 mil), a szczyt powłoki mezosferycznej (podstawa astenosfery) wynosił od 200 do 480 km (124 do 298 mil). Tak więc wywnioskowano, że astenosfera Daly ma grubość od 120 do 400 km (75 do 249 mil). Według Daly'ego podstawa mezosfery Ziemi w stanie stałym może rozciągać się do podstawy płaszcza (a więc do szczytu rdzeń ).
Termin pochodny, mezopłytki , został wprowadzony jako heurystyka , oparta na połączeniu „mezosfery” i „płytki”, dla postulowanych układów odniesienia, w których istnieją gorące punkty płaszcza.