In un articolo recentemente pubblicato in Lettere di Scienze della Terra e dei Pianeti , ricercatori del Centro Ricerche Geodinamiche, L'Università di Ehime e l'Università di Lille combinano la modellazione numerica della scivolata della dislocazione e i risultati degli esperimenti di diffusione per rivisitare la reologia della wadsleyite, ringwoodite e granato majorite sotto i tassi di deformazione geologica attraverso la zona di transizione del mantello terrestre sulla base di modelli teorici di plasticità.

Nonostante sia composto da rocce solide, il mantello terrestre, che si estende fino a una profondità di ~2890 km sotto la crosta, subisce un flusso convettivo rimuovendo il calore dall'interno della Terra. Questo processo comporta il trasferimento di massa per subduzione di placche tettoniche fredde e l'ascesa di pennacchi caldi verso la superficie terrestre, responsabile di molte caratteristiche geologiche su larga scala, come terremoti e vulcanismo. Attraverso una combinazione di precedenti studi sismologici e di fisica dei minerali, è noto che il mantello terrestre è diviso (mineralogicamente) in due grandi regimi:il mantello superiore e quello inferiore, separato dalla 'zona di transizione, ' uno strato limite tra ~410 e ~660 km di profondità. Questa zona di transizione influenza l'estensione della convezione dell'intero mantello controllando il trasferimento di massa tra il mantello superiore e quello inferiore. Studi di tomografia sismica (immagini TAC dell'interno della Terra utilizzando onde sismiche) hanno precedentemente rivelato che mentre alcune lastre penetrano attraverso la zona di transizione, altri sembrano ristagnare o all'interno o appena al di sotto. Il motivo non è chiaro e la dinamica del mantello terrestre attraverso la zona di transizione rimane scarsamente vincolata a causa della mancanza di comprensione delle sue proprietà meccaniche.

Queste proprietà meccaniche dipendono dalla capacità dei minerali di subire una lenta deformazione plastica in risposta a un basso stress meccanico, chiamato 'strisciare, ' tipicamente descritto da un parametro noto come "viscosità". La dinamica del mantello superiore si basa sulla deformazione plastica del suo costituente principale, Mg ₂ SiO ₄ olivina. I primi ~300 km del mantello superiore sono caratterizzati da una forte dipendenza direzionale dalla velocità delle onde sismiche, nota come "anisotropia sismica". Perciò, si ritiene generalmente che il "dislocation creep" - un meccanismo di deformazione che induce la rotazione del reticolo e gli orientamenti cristallografici preferiti (CPO) in minerali elasticamente anisotropi come l'olivina - contribuisca alla deformazione complessiva del mantello superiore. Il creep di dislocazione è un meccanismo di deformazione intracristallina responsabile del trasporto del taglio cristallino, mediato da difetti lineari chiamati "dislocazioni". È un meccanismo di deformazione composito che può coinvolgere sia la planata delle dislocazioni lungo alcune direzioni e piani cristallini specifici sia la salita mediata dalla diffusione dai loro piani di planata. Infatti, recenti simulazioni numeriche di Boioli et al. (2015) hanno dimostrato che la deformazione di Mg ₂ SiO ₄ i cristalli di olivina sono accomodati dal tipo Weertman di scorrimento per dislocazione in condizioni rilevanti del mantello superiore, dove la salita delle dislocazioni consente il recupero delle giunzioni di dislocazione, permettendo che la deformazione plastica sia prodotta in modo efficiente dalla scivolata della dislocazione.

Entrando nella zona di transizione del mantello oltre ~410 km di profondità con l'aumento della pressione (P) e della temperatura (T), l'olivina si trasforma prima nella sua wadsleyite polimorfa ad alto contenuto di P e a ~ 520 km in ringwoodite. Non è chiaro se i processi di deformazione di queste strutture più compatte dei polimorfi ad alto P dell'olivina siano simili a quelli dell'olivina (Ritterbex et al. 2015; Ritterbex et al. 2016). Per rispondere a questa domanda, i ricercatori del gruppo di plasticità dell'Università di Lille e del Centro di ricerca sulla geodinamica dell'Università di Ehime hanno combinato simulazioni numeriche di mobilità di planata di dislocazione attivata termicamente insieme a risultati di dati di diffusione sperimentali, e dimostrare che, in contrasto con l'olivina alle condizioni del mantello superiore, le velocità di salita della dislocazione superano quelle della planata nei polimorfi ad alto P dell'olivina, inducendo una transizione del meccanismo di deformazione nel regime di creep di dislocazione da creep di Weertman a creep di salita pura a sollecitazioni geologiche rilevanti. Basato sulla modellazione della plasticità e vincolato dai dati di diffusione degli esperimenti, l'attuale indagine quantifica la deformazione allo stato stazionario dei principali minerali della zona di transizione wadsleyite, granato ringwoodite e majorite in funzione della granulometria.

Questi modelli sono in grado di spiegare una serie di caratteristiche chiave associate alla zona di transizione del mantello. È dimostrato che la plasticità intracristallina della wadsleyite, ringwoodite e majorite garnet per puro creep rampicante a sollecitazioni geologiche porta a una zona di transizione equiviscosa di 10 ^(21±1) Pa.s se la granulometria è ~0.1 mm o maggiore, abbinando bene i dati geofisici disponibili sulla superficie invertita che sono tipicamente usati per vincolare le proprietà reologiche del mantello terrestre. Poiché il puro creep in salita non induce la rotazione del reticolo e non può produrre CPO, la deformazione della zona di transizione da parte di questo meccanismo è compatibile con la sua relativa isotropia sismica rispetto al mantello superiore. I ricercatori hanno anche scoperto che il CPO è in grado di svilupparsi insieme alle concentrazioni di stress mediante l'attivazione del creep di Weertman, ad esempio nei flussi d'angolo attorno alle lastre in subduzione del freddo, qualcosa che potrebbe indurre un aumento della resistenza alla subduzione, spiegando perché alcune lastre si bloccano alla base della zona di transizione. D'altra parte, sono previste riduzioni della viscosità se i grani sono inferiori a ~ 0,1 mm quando i silicati della zona di transizione si deformano per pura diffusione atomica, comunemente indicato come "diffusione creep, " che potrebbe potenzialmente influenzare la dinamica del flusso all'interno di lastre di subduzione fredde o attraverso le transizioni di fase.

La futura incorporazione di questi meccanismi di deformazione in funzione della dimensione dei grani nei modelli di convezione geodinamica dovrebbe migliorare la nostra comprensione dell'interazione tra il mantello superiore e inferiore e dovrebbe essere utile nel limitare l'evoluzione geochimica della Terra.