Des chercheurs de l'université d'Ehime ont rapporté la vitesse du son du MgSiO 3 Grenat majorite jusqu'à la pression de 18 gigapascals et température jusqu'à 2, 000 Kelvin. Leurs résultats permettent de comprendre la composition minérale de la zone de transition du manteau terrestre (MTZ), qui n'a pas encore été complètement élucidé. Cette étude suggère qu'un mélange mécanique de dalles et de roches du manteau, plutôt que des roches équilibrées, est plus susceptible d'expliquer les observations sismologiques dans toute la MTZ.

Les grenats silicatés sont d'importants minéraux rocheux qui constituent une partie importante de la croûte terrestre et du manteau supérieur. Il existe de nombreuses sortes de grenats silicatés composés d'une variété de combinaisons de plusieurs éléments :silicate, magnésium, aluminium, calcium etc. Parmi les grenats silicatés, ceux appelés grenats majoritiques sont des grenats enrichis en silicium qui se forment exclusivement à des profondeurs inférieures à ~300 km, quand les pyroxènes, un autre minéral trouvé dans la croûte terrestre et le manteau supérieur, se dissoudre progressivement dans les grenats de plus faible profondeur. Déjà en 2008, une étude expérimentale publiée dans la revue La nature par Irifune et al. démontré que la pyrolite, composé d'environ 40 % en volume de grenat majoritique et d'environ 60 % en volume d'olivine (sortes de minéraux silicatés, (Mg, Fe) 2 SiO 4 ), est la composition rocheuse la plus représentative à des profondeurs d'environ 560 km dans la MTZ. Il y a, cependant, encore quelques polémiques concernant la partie haute de la MTZ, sous la discontinuité de 410 km, et dans le MTZ plus profond, au-dessus de la discontinuité de 660 km, où les données de physique minérale ne peuvent pas expliquer les gradients de vitesse sismiques abrupts observés par les études sismiques globales.

Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer ces écarts, parmi eux, l'idée de variations de composition chimique dans les grenats de manteau a gagné en popularité. En raison des différences contrastées dans la composition en vrac des lithologies du manteau et de la dalle, la composition chimique du grenat majoritaire est susceptible de varier considérablement à travers le monde, en fonction de l'histoire géologique de chaque zone de subduction. Interpréter de telles observations sismiques en termes de compositions de grenat, cependant, nécessite une connaissance précise des propriétés thermoélastiques des extrémités des grenats dans une large gamme de pression et de température.

MgSiO 3 La majorite est le membre le plus important de la famille des grenats majoritiques riches en silicium et un composant majeur des grenats majoritiques. La connaissance de ses propriétés thermoélastiques est donc primordiale pour dériver avec précision les vitesses sismiques du grenat majoritique sur une large plage de pression, température et compositions chimiques. Mais, car cette phase n'est stable que dans une plage de pression étroite, entre ~16 et 22 GPa, et des températures supérieures à ~ 1800 K, faire de telles mesures a été difficile et donc ses vitesses du son à haute pression et à haute température simultanées n'ont jamais été déterminées.

Malgré ces difficultés, les chercheurs d'Ehime ont mesuré avec succès les vitesses longitudinale (VP) et de cisaillement (VS), ainsi que la densité de MgSiO 3 majoritaire, jusqu'à 18 GPa et 2, 000 K. Dans les expériences, les techniques de rayonnement X synchrotron ont été combinées avec des mesures ultrasonores in situ à haute pression et température, dans l'appareil multi-enclumes situé à la ligne de lumière BL04B1 au SPring-8 (Hyogo, Japon). Ils ont utilisé une tige synthétique de MgSiO 3 enstatite, une forme basse pression de MgSiO 3 , synthétiser l'échantillon majoritaire à haute pression et haute température, à partir de laquelle ils ont directement mesuré ses vitesses sonores dans la presse multi-enclumes.

Les résultats de leurs expériences ont montré que la majorite a les plus petits modules de volume et de cisaillement parmi ceux des principaux membres d'extrémité du grenat aux pressions et températures de la MTZ de la Terre, suggérant qu'un ramollissement élastique est susceptible de se produire dans les grenats du manteau lorsque la teneur en majorité augmente avec l'augmentation de la pression (avec l'approfondissement). Les résultats prédisent en outre que les propriétés élastiques de cisaillement de la majorite contenant du Ca peuvent être plus sensibles à l'ordre/désordre des cations que d'autres grenats majoritiques, ce qui pourrait donner lieu à une grande variété d'anomalies élastiques de cisaillement lors de la transformation du grenat cubique en grenat majoritique tétragonal dans les compositions naturelles.

L'augmentation de la teneur en majorite dans les grenats du manteau contribuerait à ralentir la dalle subductée dans la partie médiane de la MTZ. L'augmentation pourrait également jouer un rôle avec la partition du Fe dans l'olivine/wadsleyite ou la fusion partielle, pour interpréter le saut de vitesse observé à 410 km. Les changements de composition dans le grenat majoritique sont, cependant, peu susceptible d'affecter les profils sismiques au-dessus du 660, qui sont plus susceptibles de changer par l'apparition de CaSiO 3 davemaoite ou la partition Fe en (Mg, Fe) 2 SiO 4 Composants. Ces nouvelles données devraient grandement contribuer à retracer l'existence et le recyclage de l'ancienne croûte lithosphérique subductée et le devenir de la plaque subductée dans la MTZ terrestre.