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연구원들은 이전에 알려지지 않은 깊은 지구의 광물학을 발견했습니다.

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크레딧: Pixabay/CC0 공개 도메인

지구의 구조는 무엇입니까? 우선, 지각, 상부 및 하부 맨틀, 코어 등 여러 층으로 구성됩니다. 맨틀은 지구 부피의 대부분(84%)을 차지합니다. 하부 맨틀은 지구 부피의 55%를 차지하며 상부 맨틀보다 더 뜨겁고 밀도가 높습니다.

하부 맨틀은 지구가 수십억 년에 걸쳐 냉각된 방식, 물질이 순환된 방식, 지질학적 시간 규모에 걸쳐 물이 저장되고 깊은 내부로/로부터 운반되는 방식을 포함하여 지구의 진화에서 중요한 역할을 했습니다.

70년 이상 동안 하부 맨틀의 광물학은 광범위하게 연구되었습니다. 실험실 실험, 컴퓨터 시뮬레이션 및 깊은 다이아몬드의 내포물에 대한 연구를 포함한 수십 년간의 연구를 통해 하부 맨틀이 브리지마나이트, 페로페리클라아제 및 다베마오나이트의 세 가지 주요 광물로 구성되어 있다는 결론을 내렸습니다.

최근에 발표된 연구에서 자연, 전 Ph.D. 현재 Michigan State University의 박사후 연구원인 ASU의 학생과 지구 및 우주 탐사 학교의 심상헌 교수 및 ASU의 Navrotsky 재료 연구 교수는 몇 가지 다른 스타일을 사용하는 새로운 고압 실험을 완료했습니다. 하부 맨틀에 존재하는 추가 광물을 드러내기 위한 가열.

이 3가지 주요 광물 중 브리지마오이트(bridgmaoite)와 다베마오아이트(davemaoite)는 모두 이른바 페로브스카이트형 결정 구조를 갖고 있다. 이 구조는 페로브스카이트형 구조의 일부 물질이 초전도성을 나타내어 물리학, 화학, 재료공학 분야에서도 널리 알려져 있습니다.

얕은 깊이에서 유사한 결정 구조를 가진 광물은 일반적으로 고온 환경에서 병합되어 단일 광물이 되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 광물 디옵사이드는 칼슘과 마그네슘을 모두 가지고 있으며 지각에서 안정적입니다. 그러나 구조적 유사성에도 불구하고 기존 연구에 따르면 칼슘이 풍부한 다베마오이트와 마그네슘이 풍부한 브리지마나이트가 하부 맨틀 전체에서 분리되어 있는 것으로 나타났습니다.

심은 “왜 다베마오이트와 브리지마나이트는 원자 규모의 구조가 매우 유사함에도 불구하고 하나로 합쳐지지 않는가? 이 질문은 20년 동안 연구자들을 매료시켰다”고 말했다. “이 두 광물이 합쳐지는 조건을 찾기 위해 많은 시도가 있었지만 실험 결과는 일관되게 두 개의 별도 광물이었습니다. 여기서 우리는 실험에서 새로운 아이디어가 필요하다고 느꼈습니다.”

새로운 실험은 연구 그룹이 방법을 비교하기 위해 다양한 가열 기술을 시도할 수 있는 기회였습니다. 기존의 고압 실험에서 온도를 천천히 증가시키는 대신 낮은 맨틀과 관련된 고온으로 매우 빠르게 온도를 증가시켜 1초 내에 3000–3500F에 도달했습니다. 그 이유는 두 개의 페로브스카이트 구조의 광물이 일단 형성되면 단일 페로브스카이트 광물이 안정해야 하는 온도 조건에 들어가더라도 병합하기가 매우 어려워지기 때문입니다.
샘플을 목표 온도로 빠르게 가열함으로써 Ko와 Shim은 저온에서 두 개의 페로브스카이트 구조 광물이 형성되는 것을 피할 수 있었습니다. 일단 하부 맨틀의 온도에 도달하면 Advanced Photon Source에서 X선 ​​빔을 사용하여 15-30분 동안 어떤 광물이 형성되는지 모니터링합니다. 그들은 이전 실험에서 예상치 못한 단일 페로브스카이트 광물 형태만 발견했습니다. 그들은 3500F 이상의 충분히 높은 온도에서 davemaoite와 bridgmanite가 페로브스카이트 유형 구조에서 단일 광물이 된다는 것을 발견했습니다.

고 교수는 “다베마오이트와 브리지마나이트의 주요 양이온인 칼슘과 마그네슘의 크기 차이가 크면 이 두 광물이 합쳐지는 것을 방해해야 한다”고 말했다. “그러나 우리의 연구는 그들이 더운 환경에서 차이를 극복할 수 있음을 보여줍니다.”

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실험에 따르면 온도가 충분히 높은 더 깊은 하부 맨틀은 얕은 하부 맨틀과 다른 광물학을 가져야 합니다. 맨틀은 초기 지구에서 훨씬 더 따뜻했기 때문에 그룹의 새로운 결과는 대부분의 하부 맨틀이 당시 단일 페로브스카이트 구조의 광물을 갖고 있었음을 나타냅니다. 이는 광물학이 현재의 하부 맨틀과 다르다는 것을 의미합니다.

이 새로운 관측은 깊은 지구에 대한 우리의 이해에 상당한 영향을 미치고 있습니다. 많은 지진 관측에 따르면 더 깊은 하부 맨틀의 특성은 얕은 하부 맨틀과 다릅니다. 변화는 점진적인 것으로 보고된다. Bridgmanite와 davemaoite의 병합은 연구 그룹의 실험에서 점진적인 것으로 나타났습니다.

또한, 3개의 주요 광물인 브리지마나이트, 페로페리클라아제, 다베마오나이트를 포함하는 암석의 특성은 더 깊은 하부 맨틀의 특성과 잘 일치하지 않습니다. Ko와 공동 연구원은 이러한 미해결 문제가 bridgmaoite와 davemaoite가 새로운 단일 페로브스카이트 구조 광물로 합병됨으로써 설명될 수 있다고 예측합니다.


지구 하부 맨틀 광물의 양자 역학 시뮬레이션


추가 정보:
고병관 외, 지구의 깊은 맨틀에 있는 브리지마나이트의 칼슘 용해, 자연 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05237-4

애리조나주립대학교 제공

소환: 연구원들은 https://phys.org/news/2022-10-previously-unknown-mineralology-deep-earth.html에서 2022년 10월 21일에 검색된 깊은 지구의 이전에 알려지지 않은 광물학(2022, 10월 20일)을 발견했습니다.

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