Universal Model of the Density of Deep Silicate Melts

Descrizione del progetto

Tecnologia laser avanzata aiuta a identificare il comportamento delle rocce fuse all’interno della Terra

La densità dei silicati fusi svolge un ruolo cruciale nel plasmare l’evoluzione della Terra e la dinamica del mantello, influenzando la risalita o lo sprofondamento dei materiali cristallizzanti e controllando la distribuzione e la migrazione dei materiali fusi. Tuttavia, la misurazione di queste densità in condizioni di alta pressione e temperatura del mantello è stata estremamente difficile a causa delle piccole dimensioni dei campioni, della reattività chimica e della mancanza di struttura cristallina. Il progetto Glass2Melt, finanziato dal CER, sfrutterà una nuova classe di metodi di spettroscopia laser bianca per analizzare vetri e fusioni di silicati sintetici in un’ampia gamma di composizioni e in condizioni di pressione-temperatura che vanno dalla crosta terrestre al nucleo. L’approccio proposto mira a creare un modello di densità universale che descriva le fusioni di silicati, fornendo approfondimenti sulla solidificazione degli oceani magmatici, sull’eterogeneità del mantello, sulle strutture di velocità sismica e sul comportamento del magma nella Terra moderna.

Obiettivo

The starting conditions for the Earth’s evolution were set by gravitational differentiation in the solidifying magma ocean. Yet, a thorough understanding of the magma ocean dynamics and thus of the primordial Earth is lacking. One key unknown is the density of silicate melts at high pressure, which determines whether the crystallizing phases rise or sink. Magma density also governs the storage, spatial distribution, and migration of melts in the present-day Earth. Densities of silicate liquids at mantle pressures and temperatures are extremely difficult to measure because of the tiny sample size, melt chemical reactivity, and its lack of crystalline structure. The use of glasses as proxies of melts lifts some but not all of these challenges. Albeit needed for a holistic picture of planet Earth, no density systematics exists for glasses or melts across the pressure range of the entire mantle.

Glass2Melt will employ and further a novel class of fast white laser spectroscopy methods to measure the density of multicomponent synthetic silicate glasses and melts at mantle pressure-temperature conditions. Our approach is ground-breaking because it allows to thoroughly explore a large compositional space and determine the density of any deep silicate melt. Our results will (i) parametrize a universal silicate melt density model applicable to the entire mantle, and (ii) quantify solid-liquid buoyancy throughout the whole crystallizing magma ocean.

Glass2Melt will have a broad, lasting impact on our understanding of the Earth’s interior and its evolution over geologic time. The new density model will provide critical input for future numerical simulations assessing fundamental questions about the solidification of the primordial magma ocean, as well as the initiation and development of physical and chemical heterogeneity in the mantle. It will also be crucial for deciphering deep low seismic velocity structures, and to modeling magma dynamics in the present-day Earth.