The role of volatiles in reactive melt transport in the asthenosphere
地幔岩石学的实验研究发现，少量的水和二氧化碳对上地幔固相线温度和熔融分布有很大的影响。然而，它仍然不清楚的影响小部分深，挥发分丰富的熔体熔体输送和反应熔融浅软流圈。在这里，我们提出的理论和计算表明，低度，反应性，挥发性丰富的熔体导致通道的岩浆流在深度约对应于无水固相线温度。这些结果是用一种新的方法来模拟上地幔在挥发分存在下的热化学演化。该方法使用反应性的，不平衡的，多组分熔化的化学一致的框架。它是与一个系统的方程表示部分熔融的颗粒聚集体的质量质量守恒，动量和能量。这种方法在两相，三组分上升柱模型的应用表明，它再现领先的顺序功能的水合和碳酸化橄榄岩熔融，特别是，它捕获生产的低度，富含挥发分的熔体在深度远低于无挥发分固相线。该模型预测，富含挥发分，深熔体的偏析促进反应性沟道不稳定性，创造快速和化学隔离的熔体提取途径。反应沟道发生在挥发分丰富的熔体通量的硅酸盐熔融区的基础上，增强了周围地幔的可熔成分的溶解。我们发现，这种效果是类似的表示模型的水合和碳酸化地幔熔融。这些发现表明，尽管水和二氧化碳的浓度很小，但它们对岩浆成因的程度和风格以及熔体输送的动力学具有重要的控制作用。
2016-03-11 physics.geo-ph
Rate of Melt Ascent beneath Iceland from the Magmatic Response to Deglaciation
对冰岛最后一次冰消期和火山活动激增之间的时间差的观测限制了平均融化上升速度为$\geq50$ $\mathrm{m/yr}$。虽然现有的理论工作已经解释了为什么在喷发率激增增加$5$ - $30$倍，从稳定状态的利率在最后一次冰消期，他们不能解释大的变化，稀土元素（REE）的浓度在冰岛熔岩。熔岩爆发在最后一次冰消期耗尽稀土元素的$70\%$，而现有的模型，假设瞬时熔体输送，只能产生最多$20\%$耗尽。在这里，我们开发了一个有限的熔体上升速度的数值模型，并表明稀土元素的变化强烈依赖于熔体上升速度。当平均熔体上升速度为$100$ $\mathrm{m/yr}$时，用本模型计算的$\mathrm{La}$的变化与观测值相当。相反，当熔体上升速度为$1,000$ $\mathrm{m/yr}$或以上时，$\mathrm{La}$的模型变化变得明显低于观察到的，这解释了为什么先前的瞬时熔体输送模型没有再现大的变化。我们提供的第一个模型，考虑到冰川消退的火山作用的历时性反应。我们通过比较我们的模型计算的相对体积不同的喷发类型（冰下，冰末和冰后期）和火山爆发的时间在不同的火山区，冰岛的平均融化上升速度在末次冰消期的观测结果很可能是$\sim100$ $\mathrm{m/yr}$。
2019-05-15 physics.geo-ph
A new formulation for coupled magma/mantle dynamics
地球科学中的许多悬而未决的问题只能通过模拟熔体通过粘性变形固体岩石基质的多孔流动来理解。然而，描述该过程的方程组在熔融分数为零的极限下在数学上退化。不考虑这种简并性或仅通过正则化特定材料性质来避免简并性的数值方法通常在熔体分数在域的某些部分接近零时就变得计算昂贵。在这里，我们提出了一个新的配方的耦合岩浆/地幔动力学方程，解决这个问题，并允许它准确地计算大规模的3-D岩浆/地幔动力学模拟与广泛的零熔融分数的区域。我们实现这一点，通过重新调整的解决方案的变量之一，压实压力，这确保了消失的熔体分数，导致退化的方程成为一个身份和其他两个方程恢复到斯托克斯系统。这使我们能够将域分为两部分，并解决耦合的岩浆/地幔动力学系统，只有在熔体存在的细胞。我们已经实现了这个配方的开源地球动力学建模代码ASPECT和说明改进的性能相比，以前的三个字段的配方，数值显示，新的配方是最佳的问题大小，只有最低限度的敏感模型参数。除此之外，我们展示了现实问题的适用性，显示大规模的2-D和3-D模型的洋中脊复杂的流变学。因此，我们相信，我们的新公式及其在ASPECT中的实施将被证明是一个有价值的工具，可以使用高分辨率来研究熔体分离通过地球和其他行星中的固体容矿岩并与之相互作用的相互作用。三维模拟。
2018-10-23 physics.geo-ph
Mercury's crustal thickness correlates with lateral variations in mantle melt production
水星的地壳结构复杂，是十亿年火山活动的结果。信使号航天器从轨道上确定了化学成分的表面变化。结合这些测量与实验室实验的部分熔融，我们估计的表面密度和地幔熔融程度的变化，需要产生地表岩石。如果表面密度代表深部地壳密度，则北半球一半以上的地壳厚度变化可以用地幔熔融的横向变化来解释。地壳在镁贫乏的北部火山平原以下较薄，而最厚的地壳位于西半球中北纬的富镁地区。因此，富镁区域不是由于早期的撞击，而是由于广泛的地幔熔融。在地球上的洋壳中也观察到了厚度-熔融关系，这可能是类地行星的一个共同特征。
2020-11-30 astro-ph.EP physics.geo-ph
Electrical Conductivity of Superionic Hydrous SiO2 and the Origin of Lower-mantle High Conductivity Anomalies Beneath Subduction Zones
本研究通过高压高温电导率实验证实含Al含水SiO2在下地幔条件下进入超离子态并显著增强电导率，可解释俯冲带高导异常并约束深部水循环。
2025-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Testing a proposed "second continent" beneath eastern China using geoneutrino measurements
设想300公里深度以下的上地壳物质通过俯冲通道成功迁移的模型，经过浮力地壳岩性的关键相变，能够将这些物质积累和组合成所谓的“第二大陆”，这些大陆在过渡区底部大约600至700公里深度处受到重力作用而稳定。全球范围内，太平洋型俯冲（海洋-海洋和海洋-大陆会聚），导致超大陆组装，被假设为产生第二个大陆，规模约为澳大利亚的大小，大陆上地壳的放射性能量浓度水平。地震学技术无法对这些第二大陆成像，因为它们与周围地幔的地震波速度差异可以忽略不计。我们可以用陆地和/或海洋探测器对与这些第二大陆的放射性衰变有关的地中微子通量进行成像。我们提出的地中微子通量的第二大陆的预测，假设不同的比例模型，我们讨论了当前和未来的中微子实验发现或约束第二大陆的潜力。第二大陆的能量排放被认为是超级大陆循环的驱动力。因此，当使用部署在战略位置的陆基和海基地中微子探测器时，第二大陆存在的测试模型将对地幔和板块动力学产生约束。
2018-10-25 physics.geo-ph
Tracking the evolution of magmas from heterogeneous mantle sources to eruption
本文利用实验研究和自然数据，评述了源区非均匀性、熔体-岩石反应和壳内分异对跨洋中脊、板内环境和俯冲带岩浆化学的影响。本文比较了辉石岩和橄榄岩的熔融行为及其对岩浆的贡献随成分、地幔位温和岩石圈厚度的变化。我们还讨论了命运的化学不同的熔体来自异质性，因为他们通过橄榄岩地幔旅行。使用近60，000天然主要元素组成的火山岩，熔融包裹体，结晶堆积，我们评估广泛的岩石成因趋势，尽可能大的全球数据集。与以前的研究一致，主要元素化学的洋中脊玄武岩（MORB）和它们的累积有利于一阶控制的壳内晶体-液体分离，而微量元素的研究强调的作用，熔体-岩石反应，突出两者之间的脱钩。洋岛玄武岩（OIB）表现出更大的组成变化比MORB，部分归因于大的变化在地幔源区的辉石岩的比例。然而，估计的比例有很大的差异不均匀性组成，熔融模式和地幔的热结构。对于弧，我们强调当前的观点的下行板的作用，到源的原生弧岩浆，和压倒一切的岩石圈作为一个岩浆化学过滤器和存储库的大量弧累积的作用。我们的方法，同时在一个大型的数据库中的火山岩+深地壳岩石在不同的构造环境强调了破译源信号与地壳内/岩石圈过程的挑战。
2020-01-03 physics.chem-ph physics.geo-ph
Partially Molten Plumes and Melt-Fingers: Two Modes of Magma-Transport through the Mantle in Terrestrial Bodies
本文通过线性扰动分析和二维数值模拟，揭示类地天体地幔中岩浆输运存在部分熔融地幔柱和熔融指状体两种模式，其转变取决于熔体浮力参数B_m，并据此解释大火成岩省与月球早期岩浆活动。
2025-09-19 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Fast assimilation of serpentinized mantle by basaltic magma
最丰富的陆地熔岩，洋中脊和洋岛玄武岩（MORB和OIB），通常被认为是来自亏损的MORB地幔成分和更具体的，富集地幔柱源。然而，从熔体中发出的大洋熔岩和镁铁质堆晶，富含氯，并具有放射性的Sr比的发现，可以归因于软流圈衍生的熔体和岩石圈橄榄岩之间的相互作用，由于热液水渗透到莫霍面以下。为了解释这种相互作用的机制和速率，我们报道了蛇纹岩和拉斑玄武岩熔体之间反应的实验结果。结果表明，该反应是通过多阶段机制进行的：（i）蛇纹岩转化为含孔隙流体的富铬尖晶石方辉橄榄岩，（ii）方辉橄榄岩组合部分熔融溶解形成填隙式含水熔体，（iii）富铬尖晶石方辉橄榄岩/纯橄榄岩最终同化形成高MgO和高Cr、Ni含量的混合玄武质熔体。蛇纹岩被玄武质熔体同化可能发生在熔体/岩石比升高的情况下，并可能导致铬铁矿的形成。我们的实验提供的证据表明，MORB和高镁铬斜方辉石丰富的累积亏损的不相容元素，可以从常见的洋中脊玄武岩熔体与水化岩石圈橄榄岩反应修改。我们建立了蛇纹橄榄岩同化的速率是由二氧化硅扩散反应含水玄武质熔体。
2020-03-05 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
A Pyroxenite Mantle on Mercury? Experimental Insights from Enstatite Chondrite Melting at Pressures up to 5 GPa
本文通过在最高5 GPa压力下对经修改的EH4 Indarch顽火辉石球粒陨石进行部分熔融实验，揭示水星若由此类球粒陨石形成，其地幔可能主要为辉石岩成分，且熔体成分与水星表面区域特征相符。
2025-04-14 astro-ph.EP physics.geo-ph
Magmatic focusing to mid-ocean ridges: the role of grain size variability and non-Newtonian viscosity
洋中脊下的熔融发生在一个比岩浆侵位形成洋壳的区域广阔得多的区域。岩浆通过侧向运移集中在这一地带。这种聚焦通常被解释为与角流相关的动压梯度，或者被向上朝脊轴倾斜的亚岩石圈通道所解释。在这里，我们讨论了一种新的机制，岩浆聚焦：横向运输驱动的软流圈内的压实压力梯度。这些梯度来自熔融速率和压实粘度的共同变化。在以前的模型中，压实粘度作为熔体分数和温度的函数给出。相比之下，我们表明，相关的熔体聚焦的粘度变化产生的晶粒尺寸的变化和非牛顿蠕变。用我们的模型预测的软流层熔体分数分布，对东太平洋海隆某一地点的电阻率结构提供了一个较好的解释。更一般地说，虽然粒度和非牛顿粘度的固相的属性，我们发现，在洋中脊的背景下，他们对熔体输送的影响是更深刻的地幔角流的影响。
2017-06-02 physics.geo-ph
Fast magma ascent, revised estimates from the deglaciation of Iceland
软流圈地幔的部分熔融产生的岩浆供给火山系统。从地幔中提取熔体的时间尺度一直是激烈争论的话题。渗透率的微观结构测量通常表明熔体提取相对较慢（1米/年），而地球化学（铀衰变系列）和地球物理观测表明熔体提取快得多（100米/年）。冰岛的冰川消退引发了额外的地幔熔融和地表岩浆流动。快速响应已被用于论证相对快速的熔体提取。然而，这一幕至少在某种程度上是不具代表性的，因为地表岩浆喷发的速率比恒定状态增加了约30倍。我们的目标是量化这种不代表性。我们开发了一个一维的，时间依赖性和非线性（远离稳态），模型迫使最近，最好的映射，冰岛冰川消退。我们发现，30米/年是最好的估计的稳态最大熔体速度。这比以前声称的小了大约3倍，但仍然相对较快。我们将这些估计值转换为其他洋中脊，以说明被动和主动上升流以及融化程度的差异。我们发现，快速熔体提取大于约10米/年盛行全球。
2020-05-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Geophysical and atmospheric implications of $f$O$_{2}$-dependent melting on rocky exoplanets
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Netherlands eScience Center（荷兰e科学中心）；Interuniversity Micro Electronics Centre（跨大学微电子中心）；Institute of Geochemistry and Petrology, Department of Earth and Planetary Sciences, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院地球与行星科学系地球化学与岩石学研究所）；Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文学研究所）
通过耦合内部-大气框架PROTEUS，量化了氧逸度依赖的熔融曲线对岩石系外行星热结构、熔融分数和流变演化的非线性影响，揭示了挥发分库存和表面氧逸度对热状态的主要调控作用。
2026-06-19 astro-ph.EP physics.geo-ph
From stars to diverse mantles, melts, crusts and atmospheres of rocky exoplanets
本综述阐述了预测岩石质系外行星成分与矿物学的逻辑，揭示了恒星丰度如何通过T-P-X矿物组合计算及地幔熔融过程影响行星地壳成分，并评估了观测光谱对探测这种成分差异的灵敏度。
2024-04-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Torsion of a cylinder of partially molten rock with a spherical inclusion: theory and simulation
从地幔中迁移和提取熔体的过程尚未完全了解。更好地了解部分熔融岩石的材料特性有助于了解地幔中更大尺度上的熔融行为。在这项研究中，我们模拟了三维扭转变形的部分熔融岩石，其中包含一个刚性，球形夹杂物。我们比较计算的孔隙度模式，在最近的实验室实验中发现的。实验表明，岩石样品中出现了富熔体带，包裹体周围出现了压力阴影。数值模型显示类似的熔体丰富的带只有一个小的体积剪切粘度比（5或更少）。结果与早期的二维数值模拟是一致的，但是，我们表明，它是更容易形成熔体丰富的带在三维相比，两个。应变率依赖性的粘度的增加导致一个明显的变化，在夹杂物周围的压力阴影的形状。这种形状的变化为实验者提供了一个机会，以确定应变率的依赖性，因此在扭转实验中的夹杂物占主导地位的变形机制。
2015-10-16 physics.geo-ph
Glacial cycles drive variations in the production of oceanic crust
冰川循环在海洋和大陆之间重新分配水，导致上地幔的压力变化，从而导致地球内部融化。利用上新世-更新世海平面变化作为强迫函数，包括熔体输送在内的洋中脊动力学理论模型预测了数百米地壳厚度的时间变化。来自澳大利亚-南极海脊的新水深测量显示，在米兰科维奇周期23、41和100千公里附近有显著的光谱能量，与模型预测一致。这些结果表明，深海丘陵是地球上最常见的测深特征之一，它记录了岩浆对海平面变化的反应。这些模型和数据支持记录在海底测深结构中的表层冰川循环与深层地幔融化之间的联系。
2014-12-15 physics.geo-ph
The volcanic and radial expansion/contraction history of the Moon simulated by numerical models of magmatism in the convective mantle
为了了解月球的演化，我们数值模拟了二维极地矩形地幔中的地幔对流和岩浆活动。岩浆作用是通过对流基质减压熔融产生的向上渗透的岩浆流。地幔被假定为最初富含产热元素（HPEs）和成分致密的含钛铁矿堆（IBC）在其底部。在这里，我们最新表明，岩浆的产生和迁移在计算的火山和径向膨胀/收缩的历史中起着至关重要的作用。岩浆是在最初的几亿年里通过内部加热在地幔深处产生的。大量产生的岩浆上升到表面，部分熔融的指状物和羽状物在熔融浮力的驱动下导致火山活动和行星的径向扩张，峰值在3.5-4 Gyr前。然而，最终，当地幔通过从表面边界冷却而凝固时，行星开始径向收缩。随着地幔冷却，部分熔融的地幔柱的活动下降，但在峰值之后持续数十亿年，因为一些富含致密IBC成分的基底物质含有HPE。计算出的火山和径向膨胀/收缩历史与观测到的月球历史一致。我们的模拟表明，地幔的很大一部分是固体，在月球历史的开始，有一个富含HPE和IBC成分的基底层。
2023-03-29 astro-ph.EP physics.geo-ph
Thermal disequilibrium during melt-transport: Implications for the evolution of the lithosphere-asthenosphere boundary
本研究探讨如何在熔体渗透和熔体岩石相互作用的热不平衡可能会改变大陆岩石圈从下面。使用一个理想化的1D模型之间的熔体丰富的渠道和周围的熔体穷人的材料的热不平衡，我估计在通道化的熔体运输在岩石圈软流圈边界（LAB）的通道壁的热交换。对于地质合理的通道的体积分数（$ϕ$），通道壁的相对速度（$v$），通道间距（$d$），和时间尺度的情节熔体渗透（$τ$），模型结果表明，不平衡加热可能有助于$>$ $10^{-3}$ W/m $^3$的LAB热预算。在幕式熔渗过程中，在实验室形成了一个与时空变化的不平衡热交换相关联的热再加工区。TRZ增长的瞬态迁移的不平衡加热前在材料依赖的速度，达到最大的稳态宽度$δ\sim$ $\left[ϕvd^{-2}τ^{2} \right]$。与TRZ的建立相关的时空尺度与基于大陆板内环境（如美国西部）的地质观测推断的LAB迁移的时空尺度相当。
2020-12-25 physics.geo-ph
Low volcanic outgassing rates for a stagnant lid Archean Earth with graphite-saturated magmas
火山气体提供了地球早期大气的很大一部分，但对其流量的限制很少。在这里，我们的模型如何C-O-H脱气可能已经通过晚冥古宙和早太古代的条件下，全球板块构造尚未启动，所有的脱气是subaerative，石墨是稳定的碳相在熔体源区。该模型完全耦合数值地幔对流，分配到熔体中的挥发分，在气相中的化学形态。地幔氧化态（可能没有达到太古代晚期的冥古宙值）是对个别物种脱气率的主要控制，因为它影响玄武岩岩浆的碳含量和脱气挥发物的物种形成。来自地幔的火山气体比铁-方铁矿矿物氧化还原缓冲剂更还原，几乎不含CO2，因为（i）碳酸根离子仅以非常有限的量溶解在岩浆中，（ii）几乎所有脱气的碳都以CO而不是CO2的形式存在。对于氧化地幔附近的石英-铁橄榄石-磁铁矿缓冲区，我们预测中位数CO2出气率小于约5 Tmol/年，仍然低于许多太古代气候研究中使用的出气率。相对较弱的释气部分是由于氧化还原限制的石墨饱和熔体中的CO2含量，也到一个停滞的盖政权的上地幔挥发物的低效补充。我们的研究结果指出，在微弱的年轻太阳下，火山温室维持一个温暖的气候需要某些化学和地球动力学的先决条件。
2021-08-30 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Pipe Poiseuille flow of viscously anisotropic, partially molten rock
实验室实验中，合成的，部分熔融的岩石受到强制变形提供了一个背景下测试有关地幔的动力学和流变学的假设。在这里，我们的假设是，部分熔融地幔的总粘度是各向异性的，这种各向异性来自岩石基质中的偏应力。我们基于Takei和Holtzman [2009 a]以及Takei和Katz [2013]的理论制定了管道Poiffille流模型。Pipe Poiffille是一种可用于实验室实验的配置，但没有公布结果。我们通过线性化分析和数值模拟来分析模型系统。该分析预测了两种熔体偏析模式：熔体从管中心向管壁的迁移和熔体在管壁附近出现的高孔隙率带中的局部化，与剪切平面成低角度。我们将我们的结果与Takei和Katz [2013]的平面Poietille流进行了比较;我们还描述了径向变化各向异性的新近似，该近似提高了Takei和Katz [2013]模型的自洽性。这项研究提供了一套基线，定量预测与未来的实验室实验室实验的强制管Poiffille流的部分熔融地幔。
2014-08-20 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Metal-silicate partitioning of W and Mo and the role of carbon in controlling their abundances in the Bulk Silicate Earth
在核心形成期间钼和钨的液态金属-液态硅酸盐分配必须受到很好的约束，以了解地球和其他行星体的演化，特别是因为Hf-W同位素系统用于确定早期行星演化的日期。我们结合48个新的高压和高温实验结果与以前的实验的综合数据库，重新审视钼和钨分区的系统学。W分配是特别敏感的硅酸盐和金属熔体组合物，并成为更多的亲铁性随着温度的升高。我们表明，W具有6+氧化态的硅酸盐熔体在整个实验fO 2范围内的$Δ$ IW-1.5至-3.5。Mo具有4+氧化态，其分配对硅酸盐熔体组成不太敏感，但也取决于金属熔体组成。DMo随着地球深度的增加而保持近似恒定。随着金属中C含量的增加，W和Mo都变得更亲铁，因此我们拟合了相互作用参数。W和Mo与C一起被纳入一个组合的N体增生和核幔分异模型。我们表明，W和Mo需要早期增生地球是贫硫和富碳，使W和Mo有效地分配到地球的核心，不积累在地幔中。如果是这样的话，产生的类地行星具有地幔成分匹配的BSE的所有模拟元素。然而，在文献中有两组不同的估计散装地幔的碳丰度：低（100 ppm），和高（800 ppm），所有的模型是一致的较高的估计碳丰度。低BSE C丰度将是可以实现的，当考虑到分离的分散的金属液滴产生于深岩浆海洋中的Fe 2+到Fe 3+加金属Fe的结晶作用。
2022-10-25 astro-ph.EP physics.geo-ph
Increased methane emissions from deep osmotic and buoyant convection beneath submarine seeps as climate warms
在从海底排出富含甲烷的流体的渗漏点和泥火山点测得了高速度。热或溶质驱动的对流不能单独解释低渗透性沉积物中的如此高的速度。在这里，我们证明，除了浮力，甲烷吸附到沉积物上产生的渗透效应可以产生巨大的超压，能够将海水从海底再循环到沉积层深处，然后以每年高达几百米的速度将其向上排出。在全球变暖的情况下，海水的这种深层再循环可以加速深度甲烷水合物的融化，从几千年到几十年的时间尺度，并可以大大增加甲烷释放到水圈甚至大气层的速度。
2016-10-28 nlin.AO physics.flu-dyn physics.geo-ph
Variations in mid-ocean ridge CO2 emissions driven by glacial cycles
地质记录显示，在地表下和洋中脊，冰川循环与火山生产力之间存在联系。海平面驱动的压力变化也可能影响洋中脊火山活动的化学性质。我们考虑如何改变海平面可能会改变二氧化碳排放率从洋中脊，在部分和全球范围内。我们开发了一个简化的传输模型，通过一个均匀的地幔高度不相容的元素，熔体浓度的变化，元素的排放率是由第一次硅酸盐熔融深度的变化。该模型预测全球平均洋中脊CO2排放率为53 Mt/年，与其他估计一致。我们表明，海平面下降将导致海脊CO2排放量的增加，滞后约100 kyrs后的原因海平面变化。响应的滞后和振幅对地幔渗透率和板块扩张速率敏感。对于重建的海平面时间序列的过去百万年，我们预测的变化高达12%（7吨/年）的全球洋中脊二氧化碳排放量。二氧化碳排放量的预测变化的幅度和时间表明，在冰川周期中的山脊碳排放的潜在作用。
2015-09-05 physics.geo-ph
Can a fractionally crystallized magma ocean explain the thermo-chemical evolution of Mars?
在行星吸积的后期阶段积累的撞击热可以熔化地球上的一个重要部分甚至整个地幔，从而形成全球性的岩浆海洋。[...]假设岩浆海洋的分离结晶，致密的堆积物产生于靠近表面的地方，这主要是由于演化的岩浆海洋液体中的铁富集（Elkins-Tanton等人，2003年）。这样就形成了一个重力不稳定的地幔，它很容易翻转。本文利用二维圆柱几何中的地幔对流模拟研究了火星的积云翻转及其对热演化的影响。我们提出了一套模拟使用不同的初始条件和强烈的温度依赖性的粘度。我们假设，所有的放射性热源已被富集在冻结阶段的岩浆海洋在最高的50公里，最初的蒸汽气氛所创造的冻结岩浆海洋脱气迅速失去，这意味着地面温度设置为今天的值。在这种情况下，停滞的盖子迅速形成在对流内部的顶部，防止最上面的致密堆积物下沉，即使允许塑性屈服机制。在这个致密的停滞盖之下，地幔化学梯度稳定下来。对流模式主要是由小规模的结构，这是很难调和的大规模火山的特点观察到火星的表面和部分融化停止在不到900 Ma。假设停滞的盖子可以因为额外的机制而破裂并允许最上面的致密层翻转，则获得稳定的密度梯度，其中致密材料和全部热源位于CMB上方。这种分层导致最低地幔的强烈过热[...]
2014-04-01 astro-ph.EP physics.geo-ph
Magmatic channelisation by reactive and shear-driven instabilities at mid-ocean ridges: a combined analysis
一般认为，洋中脊（MORs）地幔熔体提取主要集中在熔体分数较高的狭窄区域（称为通道）。人们提出了两种反馈机制来解释为什么这些通道通过线性不稳定性生长：部分熔融地幔的切变流和上升岩浆的反应流。通过理论和实验室实验以及实地和地球物理观测，对这两种机制进行了广泛的研究。在这里，我们开发了一个一致的理论，占两个拟议的机制，并允许我们权衡其相对的贡献。我们发现，这两个反馈机制的相互作用是微不足道的，总的线性增长率的通道是很好的近似总结其独立的增长率。此外，我们解释了它们的竞争是如何由重力和地幔剪切通道的方向。反应-渗透不稳定性的分析本身预测了管状通道的形成。我们发现，即使在水平方向上增加少量的延伸，组合的不稳定性有利于平板通道，与观察到的蛇绿岩纯橄榄岩体的形态一致。我们应用新的理论MORs通过计算的累积增长和旋转的通道沿流线的固体流。我们发现，反应流是脊轴下深处的主导机制，高孔隙度通道的最不稳定方向是近垂直的。然后通过固体流使通道旋转远离垂直方向。剪切驱动的不稳定性的贡献仅限于边缘的熔化区域。在我们研究的限制范围内，剪切驱动的反馈并不是显著的熔融聚焦或浅倾斜地震各向异性的原因[节略]。
2021-05-07 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Consequences of glacial cycles for magmatism and carbon transport at mid-ocean ridges
岩浆活动和火山活动将碳从固体地球转移到气候系统中。这种转移可能受到海洋和大陆冰盖之间的冰川/间冰期水循环的调节，这改变了固体地球的表面负荷。由此产生的火山碳波动被认为是更新世冰期旋回的一种节奏机制。这一机制取决于洋中脊对海平面变化的响应幅度和滞后。在这里，我们开发和分析了一个新的模型的反应，消除了一些有问题的假设在以前的工作。我们的模型计算的碳通量，占地幔碳的热力学效应：固相线温度的降低和更深的熔融开始。我们分析了由理想化的、周期性的海平面强迫的模型，并得出结论，熔化速率的波动是岩浆和碳通量的主要控制因素。我们还讨论了一个模型被迫重建海平面在过去的800 kyr。结果表明，岩浆和碳通量的峰谷变化分别可达平均通量的20%和10%左右。洋中脊排放峰值滞后于海平面强迫峰值不到20 kyr，而且滞后很可能更短。振幅和滞后对熔体偏析速率敏感。滞后比熔体垂直穿过熔化区所需的时间短得多。
2019-09-20 physics.geo-ph
The MgCO$_3$-CaCO$_3$-Li$_2$CO$_3$-Na$_2$CO$_3$-K$_2$CO$_3$ Carbonate Melts: Thermodynamics and Transport Properties by Atomistic Simulations
原子模拟提供了一种有意义的方法来确定液体的物理化学性质在一个一致的理论框架。这种方法对熔融碳酸盐的研究特别有用，在热力学和运输数据是至关重要的需要在一个大的域的温度和压力（以确定这些熔体在地球化学过程中的作用）的背景下，但在文献中是非常稀缺的，特别是在地球的地幔中占主导地位的钙镁成分。在我们对Li_2CO_3-Na_2CO_3-K_2CO_3熔体的研究之后，我们将我们的力场扩展到Ca和Mg组分。经验相互作用势基准上的密度数据，在实验文献中（晶体和K2 Ca（CO 3）2熔体）和从从头计算分子动力学模拟发出的液体结构。在此基础上，采用分子动力学模拟研究了含Ca、Mg碳酸盐熔体在2073 K和15 GPa下的热力学、微观结构、扩散系数、电导率和粘度。此外，状态方程的Na-Ca-K混合物代表的熔岩发射在Ol Doinyo Lengai（坦桑尼亚）的评价。MD结果与现有实验数据之间的总体一致性非常令人满意，并且为力场在大的T-P范围内精确模拟任何MgCO 3-CaCO 3-Li 2CO 3-Na 2CO 3-K2 CO 3熔体的能力提供了证据。此外，这是第一次报告的力场允许研究熔融菱镁矿（MgCO 3）和熔融白云石（CaMg（CO 3）2）的传输特性。
2019-04-15 physics.chem-ph physics.geo-ph
Time-dependent low latitude core flow and geomagnetic field acceleration pulses
我们提出了一个新的模型的时间依赖流在低纬度地区的地球核心在2000年和2018年之间，来自磁场测量船上的{ \it Swarm}和CHAMP卫星和地面磁观测站。该模式称为{ \it CoreFlo-LL.1}，它由一个没有强加对称性的定常背景流和一个由地转和准地转分量主导但也允许弱偏离赤道对称性的时变流组成。我们发现，赤道地区的核幔边界下是一个地方的蓬勃发展，本地化，流体运动;随时间变化的流集中在低纬度地区靠近核心表面是能够重现快速的场变化观察到的非极地纬度和地球表面以上。磁场加速脉冲是由该区域内非纬向方位流加速的交替爆发产生的。这种加速度符号的变化可以在一年或更短的时间内发生，当涉及的结构是大空间尺度时，它们可以引起地球表面的地磁颠簸。
2019-11-07 physics.geo-ph
Magmatic intrusions control Io's crustal thickness
木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体，它通过喷发炽热的熔岩而失去热量。热量由潮汐加热提供，并被认为是通过岩浆分离通过地幔传递的，这种传递方式使它与对流的类地行星不同。我们提出了一个模型，耦合岩浆运输的潮汐热的火山系统在地壳中，以确定地壳厚度，岩浆侵入和喷发率的控制。我们证明，岩浆侵入是木卫一的地壳热平衡的一个关键组成部分，约80%的岩浆交付到地壳的基础必须侵位和冻结的深圳湾，以配合地壳厚度的粗略估计。当岩浆从部分熔融的地幔上升进入地壳时，形成了一个解压缩的边界层，这可以解释高熔体分数区域的推断观测结果。
2020-05-15 astro-ph.EP physics.geo-ph
Magma ascent in planetesimals: control by grain size
早期太阳系中的岩石状微行星由于Al-26的辐射加热而内部熔化并进行化学演化。在这里，我们量化的参数控制岩浆成因和运输使用一个耦合的岩石学和流体力学模型的反应两相流。我们发现硅酸盐矿物的平均粒度是岩浆上升的关键控制。对于大于$\approx$ 1 mm的晶粒尺寸，熔体偏析产生明显的径向结构和化学分层。这种分层是最明显的机构形成后，形成约1万年的钙，铝丰富的夹杂物。这些发现表明，星子形成的时间和轨道位置与其随后的结构和化学演化之间存在联系。根据我们的模型，部分熔融的星子内部的演化分为两类。在岩浆海洋情景中，整个星子内部经历几乎完全的熔融，这将导致湍流对流和核幔分异的降雨机制。在岩浆岩床的情况下，分离熔体逐渐耗尽的放射性热源的内部深处。在这种情况下，岩浆可能会在一个凉爽而稳定的盖子下形成富含熔体的层，而核心的形成将通过渗滤进行。我们的研究结果表明，晶粒尺寸普遍在内部加热阶段的岩浆上升的星子。无论是否朝着岩浆海洋或岩浆岩床结构的演化进展，我们的模型预测，由于Al-26的快速再分布的温度反演仅限于早于$\approx$ 1百万年后CAIs形成的机构。我们发现，如果晶粒尺寸小于$\approx$ 1毫米，在峰值内部熔化，只有升高的固体熔体密度对比（如顽火辉石球粒陨石组合物）将允许大量的熔体偏析发生。
2019-01-07 astro-ph.EP physics.geo-ph
Dynamic flows create potentially habitable conditions in Antarctic subglacial lakes
南极冰盖下有400多个冰下湖泊，这些湖泊被认为是微生物生命的极端，孤立但可行的栖息地。冰下湖泊的物理条件对于评估生命如何以及在哪里最好地存在至关重要。在这里，我们提出，地球的地热通量提供了有效的搅拌南极冰下湖水。我们证明，大多数湖泊是在一个制度的剧烈湍流垂直对流，使悬浮的球形颗粒直径达36微米。因此，动态条件支持有效混合的营养和氧富集融水来自覆盖的冰，这是必不可少的生物群落的支持内的水柱。我们警告说，积冰分析不能总是用作薄冰盖（<3.166公里）下湖泊水取样的替代，因为稳定层将混合良好的散装水与可能发生冻结的冰水界面隔离开来。
2021-02-19 physics.flu-dyn physics.geo-ph
VapoRock: Thermodynamics of vaporized silicate melts for modeling volcanic outgassing and magma ocean atmospheres
本研究开发了开源热力学建模软件VapoRock，结合MELTS液体模型与多源热化学数据计算岩浆平衡气相组成，经实验和基准测试验证精度优于闭源MAGMA代码，并提出可利用SiO与SiO2丰度比探测系外行星地幔氧逸度。
2022-12-20 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.geo-ph
Birth and decline of magma oceans. Part 2: wobbling thermal history of early accreted planetesimals
一个理论模型，描述了一个悬浮液的演变，其中晶体可以沉积形成一个密集的累积或可能产生一个轻的浮选地壳已在一个配套文件中推导出来。我们用这个模型来研究在太阳系形成的非常早期阶段的早期吸积行星体的热历史。我们研究所需的条件，形成和保存浮选结壳和基底堆，以及星子的热演化的影响。计算了由$\rm{^{26}Al}$和$\rm{^{60}Fe}$衰变产生内部加热的早期吸积星子的温度演化。对于半径为$R>30\, \rm{km}$的星子，部分熔融达到40%，星子经历流变转变并形成岩浆海洋，即：一种悬浮液，晶体可以从中分离并形成漂浮的外壳和/或致密的堆积物。由于绝热浮壳的形成，这一岩浆洋幕的特征是相对较长的时间寿命，缓慢的冷却速率，和弱的表面热通量。该模型还预测了一个周期性的演变，地壳增厚的情节与熔融引起的地壳变薄的情节交替。这些循环反过来又产生了振荡的热历史，并防止了星子的热加热失控。在岩浆洋幕末期，当晶体含量大于60%时，星子地幔发生向固态对流的转变。该阶段的特征在于高粘性剪切应力，其倾向于侵蚀先前形成的晶体沉积物。然而，这一侵蚀过程的时间尺度大于星子的寿命。因此，固态演化可以描述为一个良好的混合地幔嵌入一个亚稳定地壳和保存在其底部的堆晶。
2021-08-02 astro-ph.EP physics.geo-ph
Thermal and magnetic evolution of an Earth-like planet with a basal magma ocean
本文耦合模拟类地行星的地核、底部岩浆洋与地幔演化，评估两者热成分对流及发电机条件，发现早期可由短暂底部岩浆洋发电机过渡到地核发电机，并约束相关电导率与热导率。
2024-09-09 astro-ph.EP physics.geo-ph
