DOI: https://doi.org/10.5194/se-17-55-2026
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Matteo Desiderio وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية عالية الضغط والمواد
نظرة عامة
الهيكل التكويني للوشاح السفلي للأرض مهم لفهم تطور نظام الداخل-الغلاف الجوي المتصل، ومع ذلك لا يزال غير مفهوم جيدًا. تشير الأدلة الجيوكيميائية إلى الحفظ طويل الأمد للمواد الأولية، المرتبطة على الأرجح بالشذوذات الجيوفيزيائية. تبحث هذه الدراسة في حفظ “هياكل الوشاح القديمة الغنية بالبرجمانيت” (BEAMS)، التي قد تحتوي على خزانات جيوكيميائية أولية. تستخدم الأبحاث نماذج ديناميكية جيوفيزيائية على نطاق عالمي لتقييم كيفية تأثير الخصائص الفيزيائية للقشرة المحيطية المعاد تدويرها (ROC) على حفظ هذه المواد الأولية. تشير النتائج إلى أن حفظ BEAMS بشكل كبير يحدث عندما تتراكم ROC في الوشاح العميق ككتل حرارية كيميائية أو طبقة عالمية، ويرجع ذلك أساسًا إلى الكثافة العالية واللزوجة لـ ROC.
تخلص الدراسة إلى أن حفظ المواد الأولية يتحسن بفضل الكثافة واللزوجة الذاتية لـ ROC المدفونة. بشكل محدد، فإن الكتل الأولية الكبيرة في منتصف الوشاح (BEAMS) تبقى فقط إذا كانت ROC كثيفة بما يكفي لتشكيل كتل حرارية كيميائية عند حدود اللب-الوشاح (CMB). بالإضافة إلى ذلك، فإن اللزوجة العالية ضرورية لتثبيت هذه الكتل الأولية على مدى فترات زمنية جيولوجية. تكشف النماذج عن علاقة حماية متبادلة بين المجالات الأولية والمعاد تدويرها، مما يشير إلى أن حفظ هياكل شبيهة بـ BEAMS في منتصف الوشاح وكتل ROC في الوشاح السفلي يتماشى مع السجلات النظيرية المتنوعة للبازلت الجزر المحيطية، مما يساهم في التوفيق بين وجود خزانات جيوكيميائية متميزة داخل وشاح متحرك.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التباينات المعقدة الموجودة في الوشاح السفلي للأرض (LM) وآثارها على الهياكل الحرارية الكيميائية وأنماط الحمل الحراري. تبرز أهمية فهم هذه الهياكل لفهم تدفقات الحرارة والمواد داخل الوشاح، والتي تعتبر حاسمة لتطور الكواكب. تشير الأدلة الجيوكيميائية، وخاصة من البازلت الجزر المحيطية (OIBs)، إلى وجود خزانات كيميائية متميزة محفوظة على المدى الطويل، تعكس كل من المواد القديمة والمعاد تدويرها. قدمت التصوير الزلزالي رؤى حول هيكل LM، كاشفة عن ميزات مثل مقاطعات السرعة المنخفضة الكبيرة (LLSVPs)، التي لا يزال طبيعتها – سواء كانت شذوذات حرارية أو خزانات جيوكيميائية – موضوع نقاش.
تؤكد الورقة على أهمية دمج وجهات النظر الجيوكيميائية والجيوفيزيائية لتوضيح ديناميات الوشاح السفلي. تناقش السياق التاريخي لمحيط الماجما للأرض، الذي من المحتمل أن يكون قد أثر على تشكيل المواد الأولية ومجالات البرجمانيت (Bm). تهدف الدراسة إلى استكشاف آثار خصائص قشرة المحيط المعاد تدويرها (ROC)، وخاصة كثافتها ولزوجتها، على حفظ هياكل الوشاح القديمة الغنية بالبرجمانيت (BEAMS). من خلال نماذج عددية ثنائية الأبعاد على نطاق عالمي، تبحث الأبحاث في كيفية تأثير هذه الخصائص على التطور الحراري الكيميائي للوشاح، مما يساهم في فهم أفضل لتاريخ الأرض المبكر وكيمياء الوشاح.
الطرق
في هذه الدراسة، يستخدم المؤلفون كود الحجم المحدود StagYY (Tackley، 2008) للتحقيق في الحمل الحراري الكيميائي داخل وشاح الأرض، باستخدام هندسة حلقة كروية ثنائية الأبعاد. يعمل النموذج تحت تقريب السائل القابل للانضغاط غير المرن مع عدد براندتل غير محدود، مما يسمح بحل الحفاظ على الكتلة والطاقة والزخم بشكل فعال. يتم هيكلة المجال الحسابي بشبكة تتكون من 512 × 96 خلية، مع تركيز تحسين عمودي حول عمق 660 كم وعند الحدود العليا والسفلى، مما يؤدي إلى خطوات شبكة عمودية تتراوح من 10 إلى 35 كم.
تؤدي الهندسة الكروية للنموذج إلى دقة جانبية تتراوح من 80 كم بالقرب من السطح إلى 40 كم بالقرب من حدود اللب-الوشاح (CMB). كل خلية شبكة مزودة بـ 25 متتبعًا، مما يصل إلى حوالي 1.2 مليون متتبع عبر المجال النموذجي بأكمله، والتي تستخدم لمراقبة التغيرات في الكتلة والتركيب ودرجة الحرارة طوال المحاكاة. تسهل هذه الإطار المنهجي استكشافًا مفصلًا لديناميات الوشاح والتطور التكويني.
النتائج
في هذه الدراسة، استكشفنا تأثير الكثافة واللزوجة الذاتية للقشرة المحيطية المعاد تدويرها (ROC) على حفظ المواد الأولية داخل الوشاح السفلي باستخدام سلسلة من نماذج الحمل الحراري ثنائية الأبعاد. تم تصميم النماذج بهيكل تكويني طبقي، حيث تتكون الطبقة السفلى من مادة “أولية” كانت أكثر لزوجة بشكل ملحوظ من الطبقة البيروليتية العليا. تشير نتائجنا إلى أن ديناميات خلط مواد الوشاح تعتمد بشكل كبير على خصائص ROC؛ تسهل الكثافات الذاتية المنخفضة لـ ROC خلطًا فعالًا للمواد المعاد تدويرها والأولية، بينما تؤدي الكثافات الأعلى إلى تراكم ROC فوق حدود اللب-الوشاح (CMB)، مما يقلل بدوره من تدفق الحرارة ودرجة حرارة الوشاح العالمية، وبالتالي يقلل من حيوية الحمل وكفاءة الخلط.
علاوة على ذلك، أظهرنا أن حفظ التباينات الأولية على نطاق واسع، المشار إليها باسم BEAMS، يعتمد على استقرار تراكمات ROC فوق CMB. بشكل محدد، بالنسبة لكثافات ROC المتوسطة، تلعب اللزوجة الذاتية لـ ROC دورًا حاسمًا في التأثير على خلط المواد الأولية، حيث تؤدي ROC عالية اللزوجة إلى تقليل النشاط الحراري ونقل الحرارة. هذه التأثير العازل ضروري لحفظ BEAMS، خاصة عندما تكون نسبة اللزوجة للمادة الأولية إلى البيروليت عالية. تشير نتائجنا إلى أن كل من الكثافة الذاتية واللزوجة لـ ROC يمكن أن تعزز استقرار وحفظ الكتل الأولية، مع آثار على الخصائص الجيوكيميائية للحمم البركانية الناتجة عن الوشاح العميق.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تركيب الوشاح وآثاره على التطور طويل الأمد للمواد الأولية والمعاد تدويرها في وشاح الأرض. يعتمدون نموذج وشاح مثالي يتكون من هارزبورغيت (Hz)، بازلت (Bs)، ومادة أولية (Prim)، مع نسب وخصائص محددة لكل مكون. تؤكد الدراسة على أهمية التباينات في الكثافة واللزوجة بين البازلت والبيروليت، خاصة عند عمق 1500 كم، حيث يتم تغيير هذه التباينات بشكل منهجي لاستكشاف آثارها على ديناميات الوشاح. يستخدم المؤلفون نموذج ريوولوجيا لزج-مرن، يتضمن انتقالات الطور ولزوجة تعتمد على درجة الحرارة، لمحاكاة سلوك هذه المواد تحت ظروف الوشاح.
تكشف النتائج عن نظامين رئيسيين من تطور الوشاح: “مختلط” (M)، يتميز بخلط فعال للمواد الأولية، و”كتل” (B)، حيث يتم حفظ المواد الأولية ككتل متماسكة. يتأثر الانتقال بين هذه الأنظمة بتباينات الكثافة واللزوجة، حيث تفضل التباينات الأعلى حفظ الكتل الأولية. يوضح المؤلفون تطور حالات محددة ضمن هذه الأنظمة، موضحين كيف تؤثر التغيرات في معلمات مثل تباين الكثافة واللزوجة على توزيع وخلط مواد الوشاح على مدى فترات زمنية جيولوجية. تشير النتائج إلى أن حفظ المواد الأولية يتحسن بزيادة تباينات الكثافة واللزوجة، مما يؤدي إلى تفاعل معقد بين المواد المعاد تدويرها والأولية في التطور الحراري والتكويني للوشاح.
DOI: https://doi.org/10.5194/se-17-55-2026
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Matteo Desiderio et al.
Primary Topic: High-pressure geophysics and materials
Overview
The Earth’s lower mantle’s compositional structure is crucial for understanding the evolution of the coupled interior-atmosphere system, yet it remains poorly understood. Geochemical evidence suggests the long-term preservation of primordial materials, potentially linked to geophysical anomalies. This study investigates the preservation of “Bridgmanite-Enriched Ancient Mantle Structures” (BEAMS), which may contain primordial geochemical reservoirs. The research employs global-scale geodynamic models to assess how the physical properties of recycled oceanic crust (ROC) influence the preservation of these primordial materials. The findings indicate that significant BEAMS preservation occurs when ROC accumulates in the deep mantle as thermochemical piles or a global layer, primarily due to the high density and viscosity of the ROC.
The study concludes that the preservation of primordial materials is enhanced by the intrinsic density and viscosity of subducted ROC. Specifically, large mid-mantle primordial blobs (BEAMS) survive only if the ROC is dense enough to form thermochemical piles at the core-mantle boundary (CMB). Additionally, high viscosity is critical for stabilizing these primordial blobs over geological timescales. The models reveal a mutually protective relationship between primordial and recycled domains, suggesting that the preservation of BEAMS-like structures in the mid-mantle and ROC piles in the lowermost mantle aligns with the diverse isotopic records of ocean-island basalts, thereby reconciling the existence of distinct geochemical reservoirs within a convecting mantle.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the complex heterogeneities present in Earth’s Lower Mantle (LM) and their implications for thermochemical structures and convection patterns. It highlights the significance of understanding these structures for comprehending heat and material fluxes within the mantle, which are crucial for planetary evolution. The geochemical evidence, particularly from Ocean Island Basalts (OIBs), suggests the existence of long-term preserved chemically distinct reservoirs, reflecting both ancient and recycled materials. Seismic tomography has provided insights into the LM’s structure, revealing features such as the Large Low Shear Velocity Provinces (LLSVPs), whose nature—whether they are thermal anomalies or geochemical reservoirs—remains a topic of debate.
The paper emphasizes the importance of integrating geochemical and geophysical perspectives to elucidate the dynamics of the lower mantle. It discusses the historical context of Earth’s magma ocean, which likely influenced the formation of primordial materials and Bridgmanite (Bm) domains. The study aims to explore the effects of Recycled Oceanic Crust (ROC) properties, particularly its density and viscosity, on the preservation of Bridgmanite-Enriched Ancient Mantle Structures (BEAMS). Through global-scale 2D numerical models, the research investigates how these properties affect the thermochemical evolution of the mantle, ultimately contributing to a better understanding of early Earth history and mantle geochemistry.
Methods
In this study, the authors utilize the finite-volume code StagYY (Tackley, 2008) to investigate thermochemical convection within the Earth’s mantle, employing a two-dimensional spherical annulus geometry. The model operates under the anelastic compressible liquid approximation with an infinite Prandtl number, allowing for the conservation of mass, energy, and momentum to be effectively solved. The computational domain is structured with a grid comprising 512 × 96 cells, with vertical refinement concentrated around the 660 km depth and at the upper and lower boundaries, resulting in vertical grid steps ranging from 10 to 35 km.
The spherical geometry of the model leads to a lateral resolution that varies from 80 km near the surface to 40 km near the core-mantle boundary (CMB). Each grid cell is equipped with 25 tracers, culminating in approximately 1.2 million tracers across the entire model domain, which are employed to monitor mass, composition, and temperature variations throughout the simulation. This methodological framework facilitates a detailed exploration of mantle dynamics and compositional evolution.
Results
In this study, we explored the impact of the intrinsic density and viscosity of recycled oceanic crust (ROC) on the preservation of primordial material within the lower mantle using a series of 2D mantle-convection models. The models were designed with a layered compositional structure, where the lower layer consisted of “primordial” material that was significantly more viscous than the overlying pyrolitic layer. Our findings indicate that the mixing dynamics of mantle materials are highly dependent on ROC properties; lower intrinsic ROC densities facilitate efficient mixing of recycled and primordial materials, while higher densities lead to ROC accumulation above the core-mantle boundary (CMB), which in turn reduces heat flux and global mantle temperature, thereby diminishing convective vigor and mixing efficiency.
Furthermore, we demonstrated that the preservation of large-scale primordial heterogeneities, referred to as BEAMS, is contingent upon the stabilization of ROC accumulations above the CMB. Specifically, for intermediate ROC densities, the intrinsic viscosity of ROC plays a crucial role in influencing the mixing of primordial material, with high-viscosity ROC leading to reduced convective activity and heat transfer. This insulation effect is essential for the preservation of BEAMS, particularly when the viscosity ratio of primordial material to pyrolite is high. Our results suggest that both the intrinsic density and viscosity of ROC can enhance the stability and preservation of primordial blobs, with implications for the geochemical characteristics of hotspot lavas derived from the deep mantle.
Discussion
In this section, the authors discuss the mantle composition and its implications for the long-term evolution of primordial and recycled material in the Earth’s mantle. They adopt an idealized mantle model comprising harzburgite (Hz), basalt (Bs), and primordial material (Prim), with specific proportions and properties defined for each component. The study emphasizes the significance of the density and viscosity contrasts between basalt and pyrolite, particularly at a depth of 1500 km, where these contrasts are systematically varied to explore their effects on mantle dynamics. The authors utilize a visco-plastic rheology model, incorporating phase transitions and temperature-dependent viscosity, to simulate the behavior of these materials under mantle conditions.
The results reveal two primary regimes of mantle evolution: “Mixed” (M), characterized by efficient mixing of primordial material, and “Blobs” (B), where primordial material is preserved as coherent blobs. The transition between these regimes is influenced by the density and viscosity contrasts, with higher contrasts favoring the preservation of primordial blobs. The authors detail the evolution of specific cases within these regimes, illustrating how variations in parameters like density contrast and viscosity affect the distribution and mixing of mantle materials over geological timescales. The findings suggest that the preservation of primordial material is enhanced by increased density contrasts and viscosity, leading to a complex interplay between recycled and primordial materials in the mantle’s thermal and compositional evolution.