Post-perovskit - Post-perovskite

Post-perovskit (pPv) je vysokotlaká fáze hořčík křemičitan (MgSiO3). Skládá se z hlavních oxidových složek skalního pláště Země (MgO a SiO2) a jeho tlak a teplota pro stabilitu naznačují, že je pravděpodobné, že se vyskytne v částech nejspodnějších několika set km Zemský plášť.

Fáze po perovskitu má důsledky pro D′ ′ Vrstva, který ovlivňuje konvekční míchání v plášť zodpovědný za tektonika desek.[1]

Post-perovskit má stejnou krystalovou strukturu jako syntetická pevná sloučenina CaIrO3, a je často označován jako „CaIrO3-typová fáze MgSiO3"v literatuře krystalový systém postperovskitu je ortorombický, své vesmírná skupina je Cmcma jeho struktura je skládaný SiO6-oktorahedrální list podél b osa. Název „post-perovskit“ je odvozen od silikátový perovskit, stabilní fáze MgSiO3 po většinu zemského pláště, které má perovskitová struktura. Předpona „post-“ odkazuje na skutečnost, že k ní dochází po perovskitově strukturovaném MgSiO3 jak se zvyšuje tlak (a historicky postup vysokotlaké minerální fyziky). Na horní plášť tlaky, nejbližší povrch Země, MgSiO3 přetrvává jako silikátový minerál enstatit, a pyroxen horninový minerál nalezený v ohnivý a metamorfované horniny z kůra.

Dějiny

CaIrO3-typová fáze MgSiO3 fáze byla objevena v roce 2004 pomocí laserem vyhřívaného buňka diamantové kovadliny (LHDAC) technika skupinou na Tokijský technologický institut a nezávisle výzkumníky z Švýcarský federální technologický institut (ETH Curych) a Japonská agentura pro vědu a technologii mořské Země, kteří použili kombinaci kvantově-mechanických simulací a experimentů LHDAC. V deníku se objevil příspěvek skupiny TIT Věda.[2] Dokument o spolupráci ETH / JAM-EST a druhý příspěvek skupiny TIT se objevil o dva měsíce později v časopise Příroda.[3][4] Tomuto simultánnímu objevu předcházel experimentální objev S. Ono podobné fáze, mající přesně stejnou strukturu, ve Fe2Ó3.

Důležitost v zemském plášti

Fáze po perovskitu je stabilní nad 120 GPa na 2500 K., a vykazuje kladné hodnoty Clapeyronův svah tak, že se transformační tlak zvyšuje s teplotou. Protože tyto podmínky odpovídají hloubce asi 2600 km a D "seismická diskontinuita dochází v podobných hloubkách, je za vznik takových seismických diskontinuit v této oblasti považována perovskitová až postperovskitová fázová změna. Postperovskit je také velkým příslibem pro mapování experimentálně určených informací týkajících se teplot a tlaků jeho transformace na přímé informace týkající se teplotních variací ve vrstvě D ", jakmile budou dostatečně zmapovány seismické diskontinuity přisuzované této transformaci. Tyto informace lze použít například:

1) lépe omezit množství tepla opouštějícího zemské jádro
2) určit, zda subdukované desky oceánské litosféra dosáhnout základny pláště
3) pomoci vymezit stupeň chemické heterogenity ve spodním plášti
4) zjistit, zda je nejspodnější plášť nestabilní vůči konvektivním nestabilitám, které vedou k vyvrcholení horkých tepelných oblaků hornin, které stoupají a případně vystopují vulkanické dráhy horkých míst na povrchu Země.

Z těchto důvodů byl nález MgSiO3-fázový přechod po perovskitu je mnoha geofyziky považován za nejdůležitější objev v hluboké vědě o Zemi za několik desetiletí a byl umožněn pouze společným úsilím vědců z oblasti minerální fyziky po celém světě, kteří se snažili zvýšit rozsah a kvalitu experimentů s LHDAC a podobně ab initio výpočty dosáhly prediktivní síly.

Fyzikální vlastnosti

Struktura listu post-perovskitu dělá stlačitelnost z b osa vyšší než osa A nebo C osa. Tento anizotropie může přinést morfologii platy krystalický zvyk rovnoběžně s rovinou (010); seismická anizotropie pozorovaná v oblasti D "by mohla být kvalitativně (ale ne kvantitativně) vysvětlena touto charakteristikou. Teorie předpovídala (110) skluz spojený s obzvláště příznivými poruchami stohování a potvrzený pozdějšími experimenty. Někteří teoretici předpovídali další skluzové systémy, které čekají experimentální potvrzení. V letech 2005 a 2006 Ono a Oganov zveřejnil dva dokumenty, které předpovídají, že postperovskit by měl mít vysokou elektrickou vodivost, možná o dva řády vyšší než vodivost perovskitu. V roce 2008 zveřejnila Hiroseova skupina experimentální zprávu potvrzující tuto předpověď. Vysoce vodivá postperovskitová vrstva poskytuje vysvětlení pozorovaných dekadálních variací délky dne.[Citace je zapotřebí ]

Chemické vlastnosti

Další potenciálně důležitý účinek, který je třeba lépe charakterizovat pro postperovskitový fázový přechod, je vliv dalších chemických složek, o nichž je známo, že jsou do určité míry přítomny v nejspodnějším zemském plášti. Tlak fázového přechodu (charakterizovaný v tomto systému dvoufázovou smyčkou) se zpočátku považoval za klesající s rostoucím obsahem FeO, ale některé nedávné experimenty naznačují opak.[Citace je zapotřebí ] Je však možné, že účinek Fe2Ó3 je důležitější, protože většina železa v postperovskitu je pravděpodobně trojmocná (železitá). Takové komponenty jako Al2Ó3 nebo oxidovanější Fe2Ó3 ovlivňují také tlak fázového přechodu a mohou mít silné vzájemné interakce. Vliv proměnné chemie přítomné v nejspodnějším plášti Země na postperovskitový fázový přechod vyvolává problém tepelné i chemické modulace jejího možného vzhledu (spolu s jakýmikoli souvisejícími diskontinuitami) ve vrstvě D ".[Citace je zapotřebí ]

souhrn

Experimentální a teoretické práce na perovskitovém / postperovskitovém fázovém přechodu pokračují, zatímco mnoho důležitých rysů tohoto fázového přechodu zůstává omezeno. Například sklon Clapeyron (charakterizovaný Clausius-Clapeyronův vztah ) popisující nárůst tlaku fázového přechodu se zvyšující se teplotou je relativně vysoký ve srovnání s jinými fázovými přechody pevná látka-pevná látka v zemském plášti, experimentálně stanovená hodnota se však pohybuje od přibližně 5 MPa / K po tak vysokou jako 13 MPa / K. Ab initio výpočty poskytují užší rozsah mezi 7,5 MPa / K [5] a 9,6 MPa / K a jsou pravděpodobně nejspolehlivějšími odhady, jaké jsou dnes k dispozici. Rozdíl mezi experimentálními odhady vzniká především proto, že jako tlakové standardy byly použity různé materiály Buňka diamantového kovadliny experimenty. Dobře charakterizovaná stavová rovnice pro tlakový standard, v kombinaci s vysokoenergetickým synchrotronem generovaným rentgenovým difraktogramem tlakového standardu (který je smíchán s materiálem experimentálního vzorku), poskytuje informace o podmínkách tlaku a teploty experiment. Jelikož však tyto extrémní tlaky a teploty nebyly v experimentech dostatečně prozkoumány, stavové rovnice mnoha populárních standardů tlaku nejsou dosud dobře charakterizovány a často přinášejí odlišné výsledky. Dalším zdrojem nejistoty v experimentech LHDAC je měření teploty z tepelného záření vzorku, které je nutné k získání tlaku ze stavové rovnice tlakového standardu. V laserem zahřátých experimentech při tak vysokých tlacích (přes 1 milion atmosfér) jsou vzorky nutně malé a pro získání odhadů teploty jsou zapotřebí četné aproximace (např. Šedé těleso).[Citace je zapotřebí ]

Viz také

Reference

  1. ^ WR Peltier (2007). „Dynamika pláště a důsledky post-perovskitové fáze na vrstvu D-doubleprime“. V Kei Hirose; John Brodholt; Thome Lay; David Yuen (eds.). Post-perovskit: Přechod na fázi posledního pláště (PDF). Americká geofyzikální unie. 217–227. ISBN  978-0-87590-439-9.
  2. ^ Murakami, M .; Hirose, K; Kawamura, K; Sata, N; Ohishi, Y (2004). "Fázový přechod po perovskitu v MgSiO3". Věda. 304 (5672): 855–8. Bibcode:2004Sci ... 304..855M. doi:10.1126 / science.1095932. PMID  15073323.
  3. ^ Oganov, Artem R .; Ono, Shigeaki (2004). „Teoretické a experimentální důkazy pro postperovskitovou fázi MgSiO3 ve„ D “vrstvě Země. Příroda. 430 (6998): 445–8. arXiv:0911.3184. Bibcode:2004 Natur.430..445O. doi:10.1038 / nature02701. PMID  15269766.
  4. ^ Iitaka, T .; Hirose, K .; Kawamura, K .; Murakami, M. (2004). „Elasticita postperovskitové fáze MgSiO3 v nejspodnějším plášti Země“ (PDF). Příroda. 430 (6998): 442–5. Bibcode:2004 Natur.430..442I. doi:10.1038 / nature02702. PMID  15269765.
  5. ^ Tsuchiya, Taku; Tsuchiya, červen; Umemoto, Koichiro; Wentzcovitch, Renata M. (2004). „Fázový přechod v perovskitu MgSiO3 ve spodním plášti Země“. Dopisy o Zemi a planetách. 224 (3–4): 241. Bibcode:2004E & PSL.224..241T. doi:10.1016 / j.epsl.2004.05.017.

externí odkazy