The derivation of thermo-physical properties and phase equilibria of silicate materials from lattice vibrations: Application to convection in the Earth’s mantle
Source abstract
Abstract
Abstract We used a lattice vibrational technique to derive thermophysical and thermochemical properties and phase equilibria in the system Mg 2 SiO 4 . The technique is based on an extension of Kieffer’s model to incorporate details of the phonon spectrum, and it includes treatment of intrinsic anharmonicity. We show that anharmonicity significantly impacts phase boundaries and sound velocities, and demonstrate that the technique discriminates better between experimental data relative to traditional Calphad techniques. We show that calculated thermophysical properties are anomaly free in pressure–temperature space up to core–mantle-boundary conditions in the Earth. Our technique has been applied to a mantle convection experiment to simulate material transport in global thermal convection of a Mg 2 SiO 4 earth mantle. Preliminary results indicate a low degree of layering in mantle flow near 660 km depth in the earth and strong lateral variation of the post-perovskite layer near the bottom of the mantle.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗
Research context
OpenAlex topics: High-pressure geophysics and materials · Geological and Geochemical Analysis · earthquake and tectonic studies
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
References (93)
Show source-provided references
1. Saxena · Geochim. Cosmochim. Acta · 1996 · 60 · 237910.1016/0016-7037(96)00096-8 ↗
2. Mercier · J. Geophys. Res. · 1975 · 80 · 334910.1029/JB080i023p03349 ↗
3. Jacobs · Geochim. Cosmochim. Acta · 2005 · 69 · 436110.1016/j.gca.2005.05.002 ↗
4. M.H.G. Jacobs, B.W.W.S. de Jong, Phys. Chem. Minerals (2005) (in press)
5. Kieffer · Rev. Geophys. Space Phys. · 1979 · 17 · 3510.1029/RG017i001p00035 ↗
6. Vinet · J. Phys. C. · 1986 · 19 · L46710.1088/0022-3719/19/20/001 ↗
7. Kiefer · Am. Mineral. · 2001 · 86 · 138710.2138/am-2001-11-1207 ↗
8. Born · 1966
9. Wallace · 1972
10. Jacobs · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2003 · 5 · 205610.1039/b301550e ↗
11. Rao · Phys. Chem. Minerals · 1988 · 16 · 8310.1007/BF00201334 ↗
12. Chopelas · Phys. Chem. Minerals · 1990 · 17 · 149
13. Chopelas · Am. Mineral. · 2000 · 85 · 27010.2138/am-2000-2-301 ↗
14. Hofmeister · Phys. Chem. Minerals · 1987 · 61 · 1280
15. Wang · Am. Mineral. · 1993 · 78 · 469
16. Gillet · J. Geophys. Res. · 1991 · 96 · 1180510.1029/91JB00680 ↗
17. Gillet · Eur. J. Mineral. · 1997 · 9 · 25510.1127/ejm/9/2/0255 ↗
18. Othani · Phys. Earth Planet. Inter. · 1981 · 27 · 3210.1016/0031-9201(81)90084-4 ↗
19. Barin · 1989
20. Tomlison · Trans. Faraday. Soc. · 1958 · 54 · 182210.1039/TF9585401822 ↗
21. Navrotsky · Contrib. Miner. Petrol. · 1989 · 101 · 12210.1007/BF00387206 ↗
22. Lange · Geochim. Cosmochim. Acta · 1987 · 51 · 293110.1016/0016-7037(87)90368-1 ↗
23. Jacobs · Phys. Chem. Minerals · 2001 · 28 · 57210.1007/s002690100180 ↗
24. K. Kajiyoshi, High temperature equation of state for mantle minerals and their anharmonic properties. M.S. Thesis, Okayama University, Okayama, Japan, 1986
25. Suzuki · J. Phys. Earth · 1975 · 23 · 14510.4294/jpe1952.23.145 ↗
26. Bouhifd · Geophys. Res. Lett. · 1996 · 23 · 114310.1029/96GL01118 ↗
27. Hazen · Phys. Chem. Minerals · 1990 · 17 · 41610.1007/BF00212210 ↗
28. Fei · J. Geophys. Res. · 1992 · 97 · 448910.1029/92JB00076 ↗
29. Katsura · J. Geophys. Res. · 1989 · 94 · 1566310.1029/JB094iB11p15663 ↗
30. Boehler · Geophys. Res. Lett. · 1991 · 18 · 114710.1029/91GL01144 ↗
31. Fei · 1999 · vol. 6 · 189
32. Isaak · J. Geophys. Res. · 1989 · 94 · 589510.1029/JB094iB05p05895 ↗
33. Suzuki · Phys. Chem. Minerals · 1983 · 10 · 3810.1007/BF01204324 ↗
34. Sumino · J. Phys. Earth · 1977 · 23 · 37710.4294/jpe1952.25.377 ↗
35. da Silva · Geophys. Res. Lett. · 1997 · 24 · 196310.1029/97GL01756 ↗
36. Li · Geophys. Res. Lett. · 1996 · 23 · 225910.1029/96GL02084 ↗
37. Zha · J. Geophys. Res. · 1996 · 101 · 1753510.1029/96JB01266 ↗
38. Inoue · Phys. Earth Planet. Inter. · 2004 · 143–144 · 27910.1016/j.pepi.2003.07.021 ↗
39. Yusa · Geophys. Res. lett. · 2000 · 27 · 41310.1029/1999GL011032 ↗
40. Smyth · Am. Mineral. · 2003 · 88 · 140210.2138/am-2003-1001 ↗
41. Hazen · Am. Mineral. · 1993 · 78 · 1320
42. Hazen · Science · 1993 · 259 · 20610.1126/science.259.5092.206 ↗
43. Meng · Phys. Chem. Minerals · 1994 · 21 · 40710.1007/BF00203299 ↗
44. Gwanmesia · 1992 · 117
45. Wang · Am. Mineral. · 2003 · 88 · 160810.2138/am-2003-1025 ↗
46. Weidner · J. Geophys. Res. · 1984 · 89 · 785210.1029/JB089iB09p07852 ↗
47. Meng · J. Geophys. Res. · 1993 · 98 · 2219910.1029/93JB02383 ↗
48. Suzuki · J. Phys. Earth · 1979 · 27 · 5310.4294/jpe1952.27.53 ↗
49. Ming · 1992 · 31510.1007/978-1-4612-2842-4_12 ↗
50. Piekarz · J. Chem. Phys. · 2002 · 117 · 334010.1063/1.1494802 ↗
51. Jacobs · CALPHAD · 2000 · 24 · 13310.1016/S0364-5916(00)00019-5 ↗
52. Jacobs · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2000 · 2 · 264110.1039/a910247g ↗
53. Grover · Phys. Rev. B · 1973 · 7 · 56710.1103/PhysRevB.7.567 ↗
54. Gillet · Phys. Earth Plan. Inter. · 2000 · 117 · 36110.1016/S0031-9201(99)00107-7 ↗
55. Lu · J. Geophys. Res. · 1994 · 99 · 1179510.1029/94JB00501 ↗
56. Chopelas · Phys. Earth Plan. Inter. · 1996 · 98 · 310.1016/S0031-9201(96)03175-5 ↗
57. Saxena · Am. Mineral. · 1999 · 84 · 22610.2138/am-1999-0303 ↗
58. Dubrovinsky · Phys. Rev. Lett. · 2000 · 84 · 172010.1103/PhysRevLett.84.1720 ↗
59. Wang · Phys. Earth Plan. Inter. · 1994 · 83 · 1310.1016/0031-9201(94)90109-0 ↗
60. Akaogi · Geophys. Res. Lett. · 1993 · 20 · 10510.1029/92GL02655 ↗
61. Funamori · J. Geophys. Res. · 1996 · 101 · 825710.1029/95JB03732 ↗
62. Ross · Phys. Chem. Minerals · 1990 · 17 · 22810.1007/BF00201454 ↗
63. Karki · Geophys. Res. Lett. · 2001 · 28 · 269910.1029/2001GL012910 ↗
64. Fabrichnaya · 2004
65. Kuchhal · J. Phys. Condens. Matter · 1998 · 10 · L60310.1088/0953-8984/10/35/001 ↗
66. Anderson · Am. Mineral. · 1998 · 83 · 2310.2138/am-1998-1-202 ↗
67. Yeganeh-Haeri · Phys. Earth Plan. Inter. · 1994 · 87 · 11110.1016/0031-9201(94)90025-6 ↗
68. Karki · Am. Mineral. · 1997 · 82 · 63510.2138/am-1997-5-623 ↗
69. Tsuchiya · Earth Planet. Sci. Lett. · 2004 · 224 · 24110.1016/j.epsl.2004.05.017 ↗
70. Oganov · Nature · 2004 · 430 · 44510.1038/nature02701 ↗
71. Akaogi · Geophys. Res. Lett. · 1993 · 20 · 183910.1029/93GL01265 ↗
72. Chopelas · Phys. Chem. Minerals · 1994 · 21 · 35110.1007/BF00203293 ↗
73. Shim · Nature · 2001 · 411 · 57110.1038/35079053 ↗
74. Ito · J. Geophys. Res. · 1989 · 94 · 1063710.1029/JB094iB08p10637 ↗
75. Irifune · Science · 1998 · 279 · 169810.1126/science.279.5357.1698 ↗
76. Ito · Earth Planet. Sci. Lett. · 1978 · 38 · 44310.1016/0012-821X(78)90119-X ↗
77. Kudoh · Phys. Chem. Minerals · 1989 · 14 · 35010.1007/BF00309809 ↗
78. Ross · Phys. Chem. Minerals · 1989 · 16 · 415
79. Horiuchi · Am. Mineral. · 1987 · 72 · 357
80. X.-G. Lu, Theoretical modeling of molar volume and thermal expansion, Ph.D. Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2005
81. Lu · Acta Mater. · 2005 · 53 · 225910.1016/j.actamat.2005.01.049 ↗
82. Wang · CALPHAD · 2004 · 28 · 7910.1016/j.calphad.2004.05.002 ↗
83. Stixrude · 1993 · vol. 74 · 131
84. Murakami · Science · 2004 · 304 · 85510.1126/science.1095932 ↗
85. Iitaka · Nature · 2004 · 430 · 44210.1038/nature02702 ↗
86. Kerr · Science · 2005 · 309 · 8710.1126/science.309.5731.87 ↗
87. Van den Berg · EOS Trans. Am. Geophys. Union · 2001 · 82 · F1133
88. van den Berg · Phys. Earth Planet. Inter. · 2005 · 149 · 25910.1016/j.pepi.2004.10.008 ↗
89. G. Ranalli, Rheology of the Earth, Boston, 1987
90. Turcotte · 2002
91. Bijwaard · J. Geophys. Res. · 1998 · 103 · 3005510.1029/98JB02467 ↗
92. Albarede · Phil. Trans. R. Soc. · 2002 · 360 · 256910.1098/rsta.2002.1081 ↗
93. Ringwood · 1975