下部マントル

下部マントルは歴史的には中間圏とも呼ばれ、地球の全体積の約56%を占め、地球表面から660～2900 kmの領域で、遷移層と外核の間にある。^[1]予備的参照地球モデル（PREM）では、下部マントルを最上部（660～770 km）、中下部マントル（770～2700 km）、D層（2700～2900 km）の3つのセクションに分けている。 [ ^2]下部マントルの圧力と温度は、24～127 GPa ^[2]および1900～2600 Kの範囲である。^{[3]下部マントルの組成は}熱分解岩であると提案されており、^[4]ブリッジマナイト、フェロペリクレース、カルシウムケイ酸塩ペロブスカイトの3つの主要相を含む。下部マントルの高圧は、鉄を含むブリッジマナイトとフェロペリクレースのスピン転移を引き起こすことが示されており^[5] 、これはマントルプルームのダイナミクス^[6]^{[7]と下部マントルの化学}^[5 ]の両方に影響を及ぼす可能性があります。

上限は、深さ660キロメートル（410マイル）での地震波速度と密度の急激な増加によって定義されます。 ^[8]深さ660キロメートルでは、リングウッダイト（γ-（Mg、Fe）
₂SiO
₄）はMg-Siペロブスカイトとマグネシオウスタイトに分解する。^{[8]この反応は}上部マントルと下部マントルの境界を示す。この測定値は地震データと高圧実験室実験から推定される。中間圏の底部には、マントル-コア境界のすぐ上、約2,700～2,890 km（1,678～1,796マイル）にあるD″ゾーンが含まれる。下部マントルの底部は約2700 kmである。^[8]

物理的特性

下部マントルは当初、ブルンの球対称地球モデルではD層と呼ばれていました。^{[9]地球内部のPREM地震モデルでは、D層を}地震波速度の不連続性によって定義される3つの明確な層に分けました。^[2]

660～770 km: 圧縮波速度の不連続性 (6～11%) とそれに続く急勾配は、鉱物リングウッダイトがブリッジマナイトとフェロペリクレースに変化し、遷移帯層から下部マントルに移行したことを示しています。
770～2700 km: 速度が徐々に増加し、下部マントルの鉱物相が断熱圧縮されていることを示しています。
2700～2900 km: D層は下部マントルから外核への移行層と考えられています。

下部マントルの温度は、最上層の1,960 K (1,690 °C; 3,070 °F) から深さ2,700キロメートル (1,700マイル) の2,630 K (2,360 °C; 4,270 °F) までの範囲です。^[3]下部マントルの温度モデルでは、対流が主な熱輸送の寄与であると近似され、伝導と放射による熱伝達は無視できると考えられています。その結果、深さの関数としての下部マントルの温度勾配は、ほぼ断熱的です。^[1]地熱勾配の計算では、最上部下部マントルでの0.47ケルビン/キロメートル（0.47°C/km; 1.4°F/mi）から2,600キロメートル（1,600マイル）での0.24ケルビン/キロメートル（0.24°C/km; 0.70°F/mi）への減少が観測されました。^[3]

構成

下部マントルは、ブリッジマナイト、フェロペリクレース、カルシウムケイ酸塩ペロブスカイト（CaSiO ₃ -ペロブスカイト）の3つの成分から主に構成されています。各成分の割合は歴史的に議論されており、全体の組成は次のように示唆されています。

熱分解岩：上部マントルペリドタイトの岩石学的組成傾向から導かれ、Mg/Si比が1.27で上部マントルと下部マントルが均質であることを示唆している。このモデルは、下部マントルが体積比で75%のブリッジマナイト、17%のフェロペリクレース、8%のCaSiO ₃ペロブスカイトで構成されていることを示唆している。^[4]
コンドライト: 地球の下部マントルはコンドライト隕石の組成から集積されたことを示唆しており、Mg/Si 比はおよそ 1 です。このことから、ブリッジマナイトと CaSiO ₃ペロブスカイトが主要成分であることが推測されます。

実験室でのパイロライトのマルチアンビル圧縮実験では、断熱地熱条件をシミュレートし、その場 X線回折を使用して密度を測定した。地熱に沿った密度プロファイルはPREMモデルと一致することが示された。^[10]ブリッジマナイトとフェロペリクレースの割合を変えた下部マントル地熱全体の密度と速度プロファイルの第一原理計算では、8:2の割合でPREMモデルと一致することが観測された。この割合は、下部マントルのパイロライト全体の組成と一致している。^[11]さらに、微量元素を考慮したパイロライト下部マントル組成のせん断波速度計算では、PREMせん断速度プロファイルと1%以内で一致した。^[12]一方、関連する圧力と温度でのブリルアン分光研究では、93%を超えるブリッジマナイト相で構成される下部マントルは、測定された地震速度に対応するせん断波速度を持つことが明らかになった。提案された組成はコンドライト下部マントルと一致している。^[13]そのため、下部マントルの全体的な組成は現在議論の対象となっている。

スピン遷移領域

下部マントルの2つの鉄含有鉱物（ブリッジマナイト、フェロペリクレース）の電子環境は、高スピン（HS）状態から低スピン（LS）状態に遷移します。^[5]フェロペリクレース中のFe ^2+は、50～90GPaの間で遷移を起こします。ブリッジマナイトは構造中にFe ³⁺とFe ^{2+の両方を含み、Fe}^2+はAサイトを占め、120GPaでLS状態に遷移します。Fe ³⁺はAサイトとBサイトの両方を占めますが、BサイトのFe ^3+は30～70GPaでHSからLSへの遷移を起こし、AサイトのFe ^3+はBサイトのAl ³⁺カチオンと交換されてLSになります。^[14]この鉄カチオンのスピン転移の結果、フェロペリクレースとブリッジマナイト間の分配係数が10～14に増加し、ブリッジマナイトが減少するとともに、フェロペリクレースにFe ²⁺が濃縮されます。^[5] HSからLSへの転移は、鉄含有鉱物の物理的特性に影響を及ぼすことが報告されています。たとえば、フェロペリクレースでは、密度と非圧縮性がHS状態からLS状態にかけて増加すると報告されています。^[15]スピン転移が下部マントルの輸送特性とレオロジーに及ぼす影響については、現在、数値シミュレーションを用いて調査・議論されています。

歴史

中間圏（大気圏の層であるメソスフェアと混同しないように）は、ハーバード大学の地質学教授であるレジナルド・アルドワース・デイリーが作った「中間圏殻」に由来する。プレートテクトニクス以前の時代に、デイリー（1940）は、地球の外側がリソスフェア（地殻を含む）、アセノスフェア、中間圏殻の3つの球状層で構成されていると推測した。 ^[16]デイリーの仮定上のリソスフェアとアセノスフェアの境界までの深さは80～100 km（50～62マイル）で、中間圏殻の上部（アセノスフェアの底部）は200～480 km（124～298マイル）であった。したがって、デイリーのアセノスフェアの厚さは120～400 km（75～249マイル）であると推測された。デイリーによれば、固体地球中間圏の底部はマントルの底部（つまり、核の上部）まで広がる可能性がある。

マントルホットスポットが存在すると仮定される基準フレームに対して、「中間圏」と「プレート」の組み合わせに基づいたヒューリスティックとして、派生語である「メソプレート」が導入されました。^[17]

参照

大きな低せん断速度地域

参考文献

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