하부 맨틀(지구)

Lower mantle (Earth)
지구의 구조. 이 다이어그램에서 중층권은 스티퍼 맨틀로 표시되어 있다.

역사적으로 메소스피어라고도 알려진 하단 맨틀은 지구 전체 부피의 약 56%를 대표하며, 지구 표면 아래 660~2900km, 즉 전이 구역과 외부 중심부 사이의 지역이다.[1] 예비 기준 지구 모델(PREM)은 하단 맨틀을 최상위(660–770 km), 중하부 맨틀(770–2700 km), D 층(2700–2900 km)의 세 부분으로 구분한다.[2] 하부 맨틀의 압력 및 온도 범위는 24–127 GPA[2] 및 1900–2600 K이다.[3] 하부 맨틀의 구성은 브리지그마나이트, 페로페리클라아제, 칼슘-실산 페로브스카이트의 3대 단계를 포함하는 [4]화로리테이트라고 제안되었다. 하부 맨틀의 고압은 철을 함유하는 브리지그마나이트와 페로페리클라아제의 스핀 전환을 유도하는 것으로 나타났으며,[5] 이는 맨틀 플룸 역학[6][7] 및 하부 맨틀 화학 모두에 영향을 미칠 수 있다.[5]

상부 경계는 깊이 660km(410mi)에서 지진파 속도 및 밀도의 급격한 증가에 의해 정의된다.[8] 660km 깊이에서 링우드라이트(198-(Mg,Fe)
2SiO
4)는 Mg-Si 페로브스카이트와 마그네시아위스타이트로 분해된다.[8] 이 반응은 상부 맨틀과 하부 맨틀 사이의 경계를 나타낸다. 이 측정은 지진 데이터 및 고압 실험실 실험에서 추정한다. 중층권의 기저부에는 약 2,700 - 2,890 km(1,678 - 1,796 mi)에서 맨틀-코어 경계 바로 위에 있는 D″ 구역이 포함된다. 하단 맨틀의 밑부분은 약 2700km이다.[8]

물리적 성질

하단 맨틀은 처음에는 Bullen의 spherically 대칭 모델에서 D-layer로 표시되었다.[9] 지구 내부의 PREM 지진 모델은 D층을 지진파 속도의 불연속성에 의해 정의된 세 개의 독특한 층으로 분리했다.[2]

  • 660–770 km: 압축파 속도의 불연속(6–11%)에 이어 가파른 경사로가 이어지는 것은 광물 링우드라이트가 브리지그마나이트와 페로페리클라아제로의 변환과 낮은 맨틀로의 전환 지역 계층 사이의 전환을 나타낸다.
  • 770–2700 km: 하단 맨틀에 있는 광물 단계의 부차적 압축을 나타내는 속도 점진적 증가.
  • 2700–2900km: D 레이어는 하부 맨틀에서 외부 코어로의 이행으로 간주된다.

하단 맨틀의 온도는 가장 높은 층에서 1960 K부터 2700 km 깊이에서 2630 K까지 다양하다.[3] 하단 맨틀의 온도 모델은 일차 열 수송 기여도로 대류 근사치인 반면 전도 및 복사 열 전달은 무시할 수 있는 것으로 간주된다. 그 결과, 깊이의 함수로서 하단 맨틀의 온도 구배는 대략 부차적이다.[1] 지열 구배 계산에서는 맨 위 맨틀에서 0.47 K/km에서 2600km에서 0.24 K/km로 감소하는 것을 관찰했다.[3]

구성

하단 맨틀은 주로 브리지그마나이트, 페로페리클라아제, 칼슘-실산 페로브스카이트(CaSiO-perovskite3)의 세 가지 성분으로 구성되어 있다. 각 구성 요소의 비율은 역사적으로 대량 구성이 제안된 경우,

  • Pyrolatic: Mg/Si 비율이 1.27인 상부 맨틀과 하부 맨틀 사이의 동질성을 암시하는 상부 맨틀 페리도타이트의 펫티컬 구성 경향에서 파생된다. 이 모델은 하단 맨틀이 부피 기준 브리지그마나이트 75%, 페로페리클라아제 17%, 카시오페로브스카이트3 8%로 구성되어 있음을 시사한다.[4]
  • 콘드리트어: 지구의 하단 맨틀이 약 1 Mg/Si 비율을 암시하는 콘드리트 운석의 구성에서 얻어진 것임을 암시한다. 이것은 브리드마나이트와 CsiO-perovskites가3 주요 구성요소라는 것을 주입한다.

단열 지오르템의 피롤라이트 시뮬레이션 조건의 실험실 다항압축 실험과 현장 X선 회절에서 밀도를 측정했다. Geotherm을 따라가는 밀도 프로파일이 PREM 모델과 일치한다는 것을 보여주었다.[10] 다양한 브리지마나이트와 페로페리클라아제 비율의 하단 맨틀 지오템에 걸친 밀도와 속도 프로파일의 첫 번째 원리는 8:2 비율의 PREM 모델과 일치하는 것을 관찰했다. 이 비율은 하단 맨틀에 있는 화농성 대량 구성과 일치한다.[11] 또한 경미한 요소를 고려한 화로상 하부 맨틀 구성의 전단파 속도 계산은 [12]1% 이내의 PREM 전단 속도 프로필과 일치했다. 한편, 관련 압력 및 온도에서의 브릴루인 분광학 연구는 브리지마나이트 위상 93% 이상으로 구성된 하단 맨틀이 측정된 지진 속도에 상응하는 전단파 속도를 갖는다는 것을 밝혀냈다. 제안된 구성은 연골 하부 맨틀과 일치한다.[13] 따라서 하부 맨틀의 대량 구성은 현재 논의의 대상이 되고 있다.

스핀 전환 구역

하부 맨틀(브리지그만라이트, 페로페리클라아제)에 있는 두 개의 철을 함유한 광물의 전자 환경은 고스핀(HS)에서 저스핀(LS) 상태로 전환된다.[5] Fe2+ in perropericlase는 50-90 GPA의 전환을 겪는다. Bridgmanite는 Fe와3+ Fe를2+ 모두 구조물에 포함하고 Fe는2+ A 사이트를 점유하고 120 GPA에서 LS 상태로 전환한다. Fe가3+ A-와 B-site를 모두 점유하는 동안, B-site Fe는3+ 30–70 GPA에서 HS에서 LS로의 전환을 거치고, A-site Fe는3+ B-site Al3+ cation과 교환하여 LS가 된다.[14] 철의 양이온의 회전 전환은 10–14 브리지그마나이트로 페로페리클라아제와 브리지그마나이트 사이의 파티션 계수를 증가시키고 Fe의2+ 페로페리클라아제를 풍부하게 한다.[5] HS에서 LS로의 전환은 철 베어링 광물의 물리적 특성에 영향을 미치는 것으로 보고된다. 예를 들어, 밀도와 비압축성은 페로페리클라아제의 HS에서 LS 상태로 증가하는 것으로 보고되었다.[15] 스핀 전환이 하부 맨틀의 전달 특성 및 발열학에 미치는 영향은 현재 수치 시뮬레이션을 사용하여 조사되고 논의되고 있다.

역사

메소스피어(대기의 한 층인 메소스피어와 혼동하지 않기 위해)는 하버드대 지질학 교수인 레지날드 알드워스 댈리가 만든 '메소스피어 껍질'에서 유래했다. 전판구조론 시대에 달리(1940년)는 외지구가 암석권(지각 포함), 천체권, 중서권 껍질 등 세 개의 구면층으로 이루어져 있다고 추론했다.[16] 달리의 암석권-아스테르권 경계까지의 가상 깊이는 80~100km(50~62mi), 중서권 껍질(천체권 기저)의 상단은 200~480km(124~298mi)이었다. 따라서 달리의 천체권은 120~400km(75~249mi) 두께로 추론되었다. 달리에 따르면, 고체 지구 중층권의 기지는 맨틀의 기저부까지 확장될 수 있다(따라서, 중심부의 맨 위까지 확장될 수 있다).

맨틀 핫스팟이 존재하는 가정된 기준 프레임에 대해 "메스스피어"와 "플레이트"의 조합에 기초하여 파생 용어인 메소플라테스가 경험적으로 소개되었다.[17]

참고 항목

참조

  1. ^ Jump up to: a b Kaminsky, Felix V. (2017). The Earth's lower mantle: composition and structure. Cham: Springer. ISBN 9783319556840. OCLC 988167555.
  2. ^ Jump up to: a b c Dziewonski, Adam M.; Anderson, Don L. (1981). "Preliminary reference Earth model". Physics of the Earth and Planetary Interiors. 25 (4): 297–356. doi:10.1016/0031-9201(81)90046-7. ISSN 0031-9201.
  3. ^ Jump up to: a b c Katsura, Tomoo; Yoneda, Akira; Yamazaki, Daisuke; Yoshino, Takashi; Ito, Eiji (2010). "Adiabatic temperature profile in the mantle". Physics of the Earth and Planetary Interiors. 183 (1–2): 212–218. doi:10.1016/j.pepi.2010.07.001. ISSN 0031-9201.
  4. ^ Jump up to: a b Ringwood, Alfred E. (1976). Composition and petrology of the earth's mantle. McGraw-Hill. ISBN 0070529329. OCLC 16375050.
  5. ^ Jump up to: a b c d Badro, J. (2003-04-03). "Iron Partitioning in Earth's Mantle: Toward a Deep Lower Mantle Discontinuity". Science. 300 (5620): 789–791. doi:10.1126/science.1081311. ISSN 0036-8075. PMID 12677070. S2CID 12208090.
  6. ^ Shahnas, M.H.; Pysklywec, R.N.; Justo, J.F.; Yuen, D.A. (2017-05-09). "Spin transition-induced anomalies in the lower mantle: implications for mid-mantle partial layering". Geophysical Journal International. 210 (2): 765–773. doi:10.1093/gji/ggx198. ISSN 0956-540X.
  7. ^ Bower, Dan J.; Gurnis, Michael; Jackson, Jennifer M.; Sturhahn, Wolfgang (2009-05-28). "Enhanced convection and fast plumes in the lower mantle induced by the spin transition in ferropericlase". Geophysical Research Letters. 36 (10). doi:10.1029/2009GL037706. ISSN 0094-8276.
  8. ^ Jump up to: a b c Condie, Kent C. (2001). 'Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge University Press. pp. 3–10. ISBN 0-521-01472-7.
  9. ^ Bullen, K.E. (1942). "The density variation of the earth's central core". Bulletin of the Seismological Society of America. 32: 19–29.
  10. ^ Irifune, T.; Shinmei, T.; McCammon, C. A.; Miyajima, N.; Rubie, D. C.; Frost, D. J. (2010-01-08). "Iron Partitioning and Density Changes of Pyrolite in Earth's Lower Mantle". Science. 327 (5962): 193–195. doi:10.1126/science.1181443. ISSN 0036-8075. PMID 19965719. S2CID 19243930.
  11. ^ Wang, Xianlong; Tsuchiya, Taku; Hase, Atsushi (2015). "Computational support for a pyrolitic lower mantle containing ferric iron". Nature Geoscience. 8 (7): 556–559. doi:10.1038/ngeo2458. ISSN 1752-0894.
  12. ^ Hyung, Eugenia; Huang, Shichun; Petaev, Michail I.; Jacobsen, Stein B. (2016). "Is the mantle chemically stratified? Insights from sound velocity modeling and isotope evolution of an early magma ocean". Earth and Planetary Science Letters. 440: 158–168. doi:10.1016/j.epsl.2016.02.001.
  13. ^ Murakami, Motohiko; Ohishi, Yasuo; Hirao, Naohisa; Hirose, Kei (May 2012). "A perovskitic lower mantle inferred from high-pressure, high-temperature sound velocity data". Nature. 485 (7396): 90–94. doi:10.1038/nature11004. ISSN 0028-0836. PMID 22552097. S2CID 4387193.
  14. ^ Badro, James (2014-05-30). "Spin Transitions in Mantle Minerals". Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 42 (1): 231–248. doi:10.1146/annurev-earth-042711-105304. ISSN 0084-6597.
  15. ^ Lin, Jung-Fu; Speziale, Sergio; Mao, Zhu; Marquardt, Hauke (April 2013). "Effects of the Electronic Spin Transitions of Iron in Lower Mantle Minerals: Implications for Deep Mantle Geophysics and Geochemistry". Reviews of Geophysics. 51 (2): 244–275. doi:10.1002/rog.20010. S2CID 21661449.
  16. ^ Daly, Reginald Aldworth (1940). Strength and Structure of the Earth. New York: Prentice Hall.
  17. ^ Kumazawa, M., Fukao, Y. (1977). "DUAL PLATE TECTONICS MODEL". High-Pressure Research, Applications in Geophysics, ACADEMIC PRESS, INC. Published by Elsevier Inc. p. 127.CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)