Una bomba de calor de doble magmtica en el lmite ncleo-manto

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American Mineralogist, Volume 85, pages 15891594, 2000 Americana mineralogista, Volumen 85, pginas 1589-1594, 2000 0003-004X/00/11121589$05.00 0003-004X / 00/1112 a 1589 $ 05,00 1589 1589 A double magmatic heat pump at the core-mantle boundary Una bomba de calor en el lmite ncleo-manto SA M SA M ORSE ORSE Cmaras de magma de silicato gigantesca se han postulado para tener en cuenta las zonas de ultra-baja velocidad ssmica inferidos en la base de la capa, que acta para modular el transporte de calor hacia fuera del ncleo y en penachos. En el ncleo, el aumento de columnas de metal lquido y los elementos de luz de bombeo el calor latente hacia fuera desde el lmite entre el ncleo interior por conveccin de composicin. As pues, el ncleo externo bombas de calor a la frontera entre el ncleo y el manto (CMB), y la cmara de magma gigante bombas de calor en el manto a actuar como una fuente de penacho. Accin magmtica en el CMB depende crticamente del equilibrio entre composicin de fusin, compresin, y la temperatura. Un magma residente de forma estable por encima del CMB debe ser ms densa que los cristales del manto, perovskita mayora de silicato (pv) y magnesiowustita (mw). Derrite densos deben formar en el CMB, donde deben estar saturados con Fe y FeO desde el ncleo. Dada la normalidad particin Mg-Fe, mw ser ms denso que pv, y se derrite de pv + mw + hierro = liq tambin debe ser intrnsecamente densa en relacin con el conjunto de cristal grueso. Tales masas fundidas pueden ser recalentado para superar la densidad de la composicin, y subir hacia arriba en la cmara de magma, asistido por la mezcla turbulenta. Arroja masa fundida enfriada metal denso y cristales de xido de metal, y el crecimiento de estos cristales comunicados iluminan soluto que transporta rpidamente el calor hacia arriba, hacia el techo de la cmara, donde se funde el manto. Cerca del techo, crece densa masa fundida por el calor transportado hacia arriba por conveccin de composicin, y se hunde. El exceso de calor y de vez en cuando se escapa un poco de fusin para alimentar penachos del manto. Magmas CMB deben estar entre Fe-ricos la mayor cantidad en la Tierra.* * Department of Geosciences, Box 35820, University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts 01003, USA Departamento de Geociencias, caja 35820, Universidad de Massachusetts, Amherst, Massachusetts 01003, EE.UU. A A BSTRACT ESUMEN Gigantic silicate magma chambers have been postulated to account for seismically inferred Cmaras de magma silicato Gigantic se han postulado para explicar ssmicamente inferido ultra-low-velocity zones at the base of the mantle, acting to modulate heat transport out of the core zonas de ultra-baja velocidad en la base del manto, que actan para modular el transporte de calor fuera del ncleo and into plumes. y en penachos. In the core, rising plumes of liquid metal and light elements pump the latent heat En el ncleo, el aumento columnas de elementos metlicos y ligeros lquidos bombean el calor latente outward from the inner core boundary by compositional convection. hacia afuera desde el lmite entre el ncleo interior por conveccin de composicin. The outer core thus pumps heat As pues, el ncleo externo bombas de calor to the core-mantle boundary (CMB), and the giant magma chamber pumps heat into the mantle to a la frontera entre el ncleo y el manto (CMB), y las bombas de cmara de magma gigante calentar en el manto a act as a plume source. actuar como una fuente de penacho. Magmatic action at the CMB depends critically on the balance between melt Accin magmtica en el CMB depende de manera crtica sobre el equilibrio entre la masa fundida composition, compressibility, and temperature. composicin, compresin, y la temperatura.A stably resident magma above the CMB must be Un magma residente de forma estable por encima de la CMB debe ser* E-mail: tm@geo.umass.edu * E-mail: tm@geo.umass.eduIINTRODUCTIONNTRODUCCIN

Seismic evidence suggests the presence of several very largeEvidencia ssmica sugiere la presencia de varias zonas muy grande zones of ultra-low velocity (ULVZs) above the core-mantlede velocidad ultra-baja (ULVZs) por encima del lmite del ncleo y el manto boundary (CMB) at several localities (Garnero and Helmberger(CMB) en varias localidades (Garnero y Helmberger 1996).1996). Expanding on the notion of D'' as a partially melted Ampliando la nocin de D '' como una capa parcialmente fundido, layer, it was an obvious next step to view the ULVZs as gigan-que fue un paso lgico para ver el ULVZs como gigantes tic magma chambers (here GMCs; Williams and Garnero 1996;cmaras de magma (aqu GMC; Williams y Garnero 1996; Williams 1998).Williams 1998). For a magmatist whose thoughts have often Para un magmatismo cuyas consideraciones tienen a estar a menudo been inside magma chambers, these ideas naturally found fer-dentro de cmaras de magma, estas ideas naturalmente encontraron suelos frtiles en especulaciones acerca de la transferencia de calor y Materia durante la fusin y el crecimiento de cristales. Here I offer the Aqu les ofrezco el fruto preliminar de estas especulaciones. The discussion begins with boundary conditions and as- La discusin comienza con condiciones de contorno y sumptions.supuestos. Seismic evidence and the recent literature are then Evidencia ssmica y la literatura reciente son entonces reviewed.opiniones. There follows a brief review of heat pumping by A continuacin se presenta una breve revisin de bombeo de calor por compositional convection.conveccin composicional. At last, the conditions of heat trans- Por fin, las condiciones de transmisin de calor fer near the CMB are explored, with the conclusion that thecerca del CMB se exploran, con la conclusin de que la GMCs and outer core constitute paired heat pumps, which GMC y ncleo externo constituyen bombas de calor emparejadas, que modulate both heat transport out of the core and the location "Modular tanto el transporte de calor hacia fuera del ncleo y la ubicacin of mantle plumes (Williams 1998).de plumas del manto "(Williams, 1998). S ESTIPULATIONSTIPULACIONES If there is a GMC at the CMB, several related conditions Si hay un GMC en el CMB, varias condiciones relacionadas may be stipulated.POPpodran ser establecidas. Most of these are obvious and most have La mayora de ellos son obvios y la mayora ha sido been considered before, eg, by Williams and Garnero (1996).considerada antes, por ejemplo, por Williams y Garnero (1996). (1) The top of the magma chamber is saturated (stably or (1) La parte superior de la cmara de magma es saturado (estable o metastably) with the crystalline mantle phases.metastable) con las fases del manto cristalino. (2) The bottom of the magma chamber is saturated with the (2) La parte inferior de la cmara de magma se satura con la liquid metal phase of the outer core.fase de metal lquido del ncleo externo. (3) The core is the stove that melts the mantle. (3) El ncleo es la estufa que se derrite el manto. (4) The silicate melt is denser than the crystalline mantle (4) La masa fundida de silicato es ms denso que el conjunto del manto cristalino assemblage (otherwise it would immediately escape upward (de lo contrario este podra escapar de inmediato hacia arriba from the CMB).de la CMB). (5) The roof is refractory. (5) El techo es refractario. (6) The GMC is a heat sink for heat from the outer core, (6) El GMC es un disipador de calor para el calor desde el ncleo externo,which is principally the latent heat of crystallization of the in- que es principalmente el calor latente de cristalizacin de el ncleo interno.I INFERENCESNFERENCIAS (1) The liquid outer core is well stirred and therefore nearly (1) El ncleo externo lquido se agita bien y por lo tanto casi isothermal along the CMB.isotrmico a lo largo del CMB. Therefore, if the mantle is laterally Por lo tanto, si el manto es lateralmente homogeneous and melts at one place, it must melt all along the homogneo y se funde en un solo lugar, este se debe fundir a lo largo de la CMB, hence the D'' layer is partially melted on a secular timeCMB, de ah el D '' capa est parcialmente derretido en una escala de tiempo secular scale (Williams and Garnero 1996).(Williams y Garnero 1996). (2) Given inference 1, any GMC must tend to drain the D'' (2) Teniendo en cuenta la inferencia 1, cualquier GMC debe tender a drenar la capa D '' layer. (3) Existence of a GMC implies a local heat flow anomaly (3) Existencia de un GMC implica una anomala flujo de calor localin the underlying outer core. en el ncleo externo subyacente. (4) Given inference 3, then the GMC is also the carrier of (4) Dada la inferencia 3, entonces el GMC es tambin el portador deexcess heat flow into the overlying mantle. el exceso de flujo de calor en el manto suprayacente. It is therefore a Por lo tanto, es un heat sink for the core and a heat source for the mantle; disipador de calor para el ncleo y una fuente de calor para el manto; it is a se trata de un heat conduit (Williams 1998). conducto de calor (Williams 1998). (5) Given inference 4, a GMC is and must be a plume source (5) Dada la inferencia 4, un GMC es y debe ser una fuente de plumafor the mantle (Williams 1998; Williams et al. 1998). para el manto (Williams 1998; Williams et al 1998.). (6) Because the escape of heat is the driving principle for (6) Debido a la fuga de calor es el principio conductor deall Earth dynamics, and given inference 5, there must be a re- toda la dinmica de la Tierra, y dada la inferencia 5, tiene que haber unagion of major extension of the lithosphere, and anomalously regin de mayor extensin de la litosfera, y anmalamente high heat flow, for every GMC-plume structure.flujo alto de calor, por cada estructura GMC-plume.

VIDENCE FOR PRUEBAS PARAGMC GMCSS

The seismic evidence for GMCs arises from the detection La evidencia ssmica para las GMC surge de la deteccinof ultra-low-velocity zones (ULVZs) near the CMB under the de zonas de ultra-baja velocidad (ULVZs) cerca de la CMB bajo western Pacific Ocean, under northern Africa, and under at leastOcano Pacfico occidental, en el norte de frica, y en al menos six other regions (eg, Garnero and Helmberger 1996; Lay etotras seis regiones (por ejemplo, Garnero y Helmberger 1996; Lay et al. al. 1998; 1998; Williams et al. Williams et al. 1998). 1998). The ULVZs show a reduction Los ULVZs muestran una reduccinin P wave velocity of >10% over thicknesses ranging from 5 to en velocidad de la onda P de> 10% en espesores que van desde 5 a 40 km, and over lateral distances of 7000 km and more. 40 km, y en distancias laterales de 7.000 kilometros y ms. The Lainterpretation of ULVZs as partial melts is largely due to Wil- interpretacin de ULVZs como derretimientos parciales se debe en gran parte a Wilson liams and Garnero (1996), and the high correlation between liams y Garnero (1996), y la alta correlacin entre ULVZs and hot spots was shown by Williams et al. ULVZs y los puntos calientes se muestran por Williams et al. 1998. 1998. Further constraints on an ultra-low-velocity layer were dis-Otras limitaciones de una capa ultra-baja velocidad fueron discutidascussed by Garnero and Helmberger (1998). por Garnero y Helmberger (1998). Related discussions Discusiones relacionadasof lower mantle dynamics were given by Kennett et al. de la dinmica del manto inferior fueron dadas por Kennett et al. (1998) (1998) and Kellogg et al. y Kellogg et al. (1999). (1999). Velocity-density anomalies showing Anomalas de velocidad-densidad que muestrancompositional heterogeneity near the CMB were also found by heterogeneidad de composicin cerca del CMB tambin fueron encontrados por Ishii and Tromp (1999). Ishii y Tromp (1999). Local Fe enrichment in much of the Enriquecimiento local Fe en gran parte del manto inferior fue propuesto por van der Hilst y Krason (1999). (1999). The transition from hot mid-Pacific deep mantle to cold La transicin desde la profundidad del manto caliente en el medio del Pacfico al fro Alaskan deep mantle was discussed by Wysession et al.Manto profundo de Alaska fue discutido por Wysession et al. (1999). (1999). Indirect evidence for a deep plume source under Hawaii was La evidencia indirecta de una fuente pluma profundidad bajo Hawaii eraadduced by Blichert-Toft et al. aducida por Blichert-Toft et al. (1999), supplementing the di- (1999), que complementa la directa evidencia ssmica de Russell et al. (1998). (1998).

HERMAL CONSTRAINTS

LIMITACIONES TERMICAS

The CMB occupies the largest thermal boundary layer in El CMB ocupa la capa lmite trmica ms grande dethe Earth, in which the molten core may be some 10001500 la Tierra, en la que el ncleo fundido puede ser algn 1000-1500 ms caliente que el manto inferior adiabtica extrapolado (Hofmeister 1999; 1999; Zerr et al. Zerr et al. 1998). 1998). Although the solidus of pure silicate Aunque los solidus de silicato puro perovskite appears to be thousands of degrees higher than the perovskita parece estar a miles de grados ms alta que la core temperature at the CMB, the multiphase mantle solidus temperatura central en la CMB, el solidus manto multifase de una composicin pyrolite parece estar muy cerca de la temperatura de la CMB (Holanda y Ahrens 1997; Zerr et al 1998.). The Lareason for this difference is that the solidus for magnesiowstite razn de esta diferencia es que el solidus para magnesiowustitais much lower than that for silicate perovskite, and its PT melt- es mucho menor que la de silicato de perovskita, y su curva de fusin PT es, probablemente, paralela a la del conjunto de mltiples fases. blage.Por tanto, las relaciones de fusin experimentales parecen serconsistent with the seismic interpretation of the ultra-low-ve- coherente con la interpretacin ssmica de las zonas de ultra-baja velocidad como fusin parcial. Voy a suponer que la presencia de core metal as a phase will lower the CMB melting temperaturemetal del ncleo como una fase bajar la temperatura de fusin CMB still more. todava ms.

Supuestos: RELACIONES DE FASEHASE RELATIONS

To discuss the behavior of mantle melting, it is necessary to Para discutir el comportamiento de fusin del manto, es necesariohave some idea of the phase relations. tener una idea de las relaciones de fase. I shall assume that the Voy a asumir que laprincipal mantle phase at the CMB is perovskite of nominally fase manto principal en el CMB es perovskita de nominalmente depyroxene composition including significant amounts of Al, Ca, composicin piroxeno incluyendo cantidades significativas de Al, Ca, and Fe y Fe 3+3+ (Mao et al. 1997; Lauterbach et al. 1998; Zhang and (Mao et al 1997;. Lauterbach et al 1998;. Zhang yWeidner 1999). Weidner 1999). I ignore a possible separate Ca-perovskite phase Ignoro una posible fase separada de Ca-perovskita (eg, Wang and Takahashi 2000). (Por ejemplo, Wang y Takahashi 2000). Evidence for the breakdown La evidencia de la ruptura of Mg-Fe perovskite has been presented by Dubrovinsky et al. de perovskita Mg-Fe ha sido presentado por Dubrovinsky et al. (1999), but counterevidence is provided by Serghiou et al. (1999), pero contraprueba es proporcionado por Serghiou et al.(1999). (1999). Neither of these studies treats the more likely multi- Ninguno de estos estudios trata la composicin multicomponente ms probable de perovskita manto natural.I shall also assume that magnesiowstite is present as a Voy a suponer tambin que magnesiowustita est presente como unaphase, as well as liquid metal, which for present purposes I fase, as como el metal lquido, que para los propsitos presentes voy ashall represent as pure iron (Birch 1952), saturated with representar como "hierro puro" (Birch 1952), saturado con Fe(Mg)O and SiO Fe (Mg) O y SiO22 from silicate phases (Gessmann and Rubie de fases silicato (Gessmann y Rubie 1998). 1998). A silica phase may or may not be present; Una fase de slice puede o no puede estar presente; if it is, it may si lo es, se puede have a post-stishovite structure (Sharp et al. 1999). tener una estructura post-stishovita (de Sharp et al. 1999). The Mg- El nmero del Mg number of the silicate perovskite phase is taken as greater thande la fase perovskita silicato se toma como mayor quethat of magnesiowstite (the K la de magnesiowustita (la KDD valuesFe/Mg ratios of pv/ valores-Fe / Mg relaciones de pv /mwin the lower mantle are probably independent of pres- mw-en el manto inferior son probablemente independientes de presin sure and near 0.73;y cerca de 0,73; Wang and Takahashi 2000), as with py- Wang y Takahashi 2000), como con piroxene and magnesiowstite, so that the oxide phaseroxeno y magnesiowustita, de modo que la fase de xidomagnesiowstite is presumably the denser of the two phases. magnesiowustita es presumiblemente la ms densa de las dos fases. My assumed phase relations are shown in Figure 1. The Mis relaciones de fase asumidos se muestran en la Figura 1. Laperovskite phase shows significant solution toward Fe fase perovskita muestra solucin significativa hacia la Fe3+3+, even, Inclusoin contact with liquid metallic iron, although the extent shown en contacto con el hierro metlico lquido, aunque la extensin que se muestrais surely exaggerated. es sin duda exagerada.The small triangle shows one possibility El pequeo tringulo muestra una posibilidadfor the other components of the perovskite phase, ie, that the para los otros componentes de la fase perovskita, es decir, que el composition range is intrinsically aluminous and calcic (like rango de composicin es intrnsecamente aluminoso y clcico (comopyroxene) and not continuous to the Fe-Si join. piroxeno) y no continua con la Fe-Si se unen. In such a case, En tal caso,the three-phase triangle (mw, pv, s) would be stable and the el tringulo de tres fases (mw, pv, s) sera estable y la tieline (mw + s) would not be broken by pv. Tieline (mw + s) no se rompen por pv. An incongruent melting reaction such as pv + mw = i + liq Una reaccin de fusin incongruente como pv + mw = i + liq or pv + i = mw + liq seems difficult to reconcile with a solid o pv + i = mw + liq parece difcil de conciliar con un slidomantle roof, so I ignore the possibility. techo del manto, por lo que ignorar la posibilidad. Melting of the mantle Fusin del mantoat the CMB would then involve the reaction of liquid metal en el CMB sera entonces implicar la reaccin de metal lquidowith mantle: i + pv + mw = liq. con manto: i + pv + mw = liq. The silicate liquid (liq) would El lquido de silicato (liq) podriabe Fe rich (Figs. 1 and 2) and possibly lie off the silicate-oxide ser rico en Fe (. figuras 1 y 2) y, posiblemente, se encuentran fuera de la unin hacia el metal de silicato-xido (Williams y Garnero 1996). Such a com- Tal composition would be most felicitous for making a CMB melt ofposicin sera ms acertada para la fabricacin de una masa fundida de CMB de maximum density.densidad mxima. To the extent that the outer core liquid contains oxygen, it En la medida en que el lquido del ncleo exterior contiene oxgeno, se Podra will also deposit FeO onto the basal mantle, hence the mantletambin depositar FeO en la capa basal, por lo tanto, el manto. incorporated into the perovskite phase as well as a metal-oxide El FeO incorporado en la fase perovskita, as como una fase metal-xido. phase.Este ltimo tendr el ms bajo nmero de Mg de cualquiera de las fasesin the GMC. en el GMC. In contrast to the Fe-saturated CMB magma, the magma at En contraste con el magma CMB saturado de Fe, el magma enthe roof of this large chamber cannot ordinarily be saturated el techo de esta gran cmara no puede ser normalmente saturadowith core material, but only with the resident mantle crystals con material de ncleo, pero slo con los cristales del manto residentes(Fig. 2). (Fig. 2). Therefore, there must be a compositional gradient in Por lo tanto, debe haber un gradiente de composicin en the resident magma, from Fe-rich at the CMB to a composition el magma residente, de Fe-rica en el CMB a una composicinin equilibrium only with a more Mg-rich silicate and oxide en equilibrio slo con un silicato de Mg ms ricos y xido mantle rock.de roca de manto. We return to this gradient after a consideration of Volvemos a este gradiente, tras examinar la compositional convection.conveccin composicional.

F F IGUREIGURA 1. Assumed phase relations in the vicinity of the core-1. Relaciones de fase asumidos en las proximidades del lmite ncleo- mantle boundary (CMB) projected from Mg.manto (CMB) proyectado a partir de Mg. The mantle assemblage El conjunto del mantois assumed to be composed largely of silicate perovskite (pv), se supone que est compuesto en gran parte de silicato de perovskita (pv),magnesiowstite (mw), and possibly a silica phase (s). magnesiowstite (mw), y posiblemente una fase (s) de slice. The range of La gama desolution of pv toward Fe solucin de pv hacia Fe3+3+is unknown but exaggerated in the figure. es desconocida, pero exagerada en la figura. The assumed and appreciable content of Al and lesser Ca in perovskite El contenido asumido y apreciable de Al y Ca en menor perovskita(inset) permits the three-phase assemblage pv + mw + s. (Recuadro) permite el ensamblaje pv + mw + s de tres fases. The mantle in El manto encontact with core liquid at the CMB gains Fe and FeO, and melts to contacto con lquido del ncleo en el CMB gana Fe y FeO, y se funde ametal-saturated silicate liquid l in the three-phase assemblage i + mwl de lquido de silicato de metal-saturado en el conjunto de tres fases i + mw+ pv ( s). + Pv ( s). The positions of olivine and pyroxene are shown for Las posiciones de olivino y piroxeno se muestran para reference only.referencia solamente. C OMPOSITIONAL CONVECTION CONVECCIN COMPOSITIONAL

Cuando los cristales de un solo componente crecen a partir de una masa fundida de mltiples componentes, liberan un soluto rechazado (RS) compuestasof whatever material does not enter the crystal. de cualquier material que no entra en el cristal. For example, Por ejemplo,the freezing of sea water yields crystals of water ice that reject la congelacin del agua de mar produce cristales de hielo de agua que rechazana dense brine, and the crystallization of Fe metal from a sili- una salmuera densa, y la cristalizacin de Fe metlico libera una masa fundida de silicato de un soluto boyante enriquecido en componentes de silicato de luz.components. El soluto rechazado entonces, en el caso general, es either lighter or denser than the parent melt. ya sea ms clara o ms densa que la fusin de la matriz. It will stream up- Se transmitir hacia arriba o hacia abajo, como puede ser el caso, del cristal o cristal en crecimiento de encaje.tal or crystal assemblage.If the space into which the streamSi el espacio en el que la corriente deflows is unencumbered liquid, so that the rejected solute can flujos es lquido no comprometido, de manera que el soluto rechazado puedeescape, it will cause compositional convection (CC), which has escapar, esto causara que la conveccin de composicin (CC), que tiene two interesting results.dos resultados interesantes. First, it flushes away the unwanted com- En primer lugar, arrastra los componentes no deseados de la superficie de crecimiento cristalino, y por lo tanto promueve el crecimiento.Second, it carries away the latent heat of crystalliza-En segundo lugar, se lleva el calor latente de cristalizacin, tion, along with the rejected solute composition.junto con la composicin de soluto rechazado. Depending Dependiendo on the density contrast, the speed with which compositionalen el contraste de densidad, la velocidad con la queconvection does this may be orders of magnitude faster tan la conveccin composicional puede ser rdenes de magnitud ms rpido quediffusive, or purely thermal convective, heat transfer (Morse difusivo, o puramente conveccion trmica, la transferencia de calor (Morse1986a, 1986b). 1986a, 1986b). The concept was suggested by Braginsky (1963) El concepto fue propuesto por Braginsky (1963) for the crystallization of metal at the inner core boundary and para la cristalizacin de metal en el lmite entre el ncleo interior y the flux of light elements through the outer core, to drive the el flujo de los elementos de luz a travs del ncleo externo, para conducir el Earth's dynamo (Stacey 1992). Dnamo de la Tierra (Stacey, 1992). It was independently suggested Se sugiri de forma independienteby Morse (1969, written 1966; 1986b) to explain the solidifi- por Morse (1969, escrito 1966; 1986b) para explicar la solidificacin que que qacumula. The short-circuiting heat transport activity of compositional La actividad de transporte de calor cortocircuitos de conveccin composicionalconvection was invoked by Morse (1986c) and Morse et al. fue invocado por Morse (1986c) y Morse et al.(1987) to explain finger structures in the Rum Intrusion. (1987) para explicar el corredor estructural en la Intrusin Rum. These Estos estnwere regarded as features produced by melt corrosion, in turn considerados como caractersticas producida por la corrosin en estado fundido, a su vez,filled with supercooled melt that crystallized pyroxene meta- lleno de fusin superenfriada que cristaliz piroxenostably (not as the liquidus phase, as claimed by Emeleus et al. de manera estable (no como la fase de licuefaccin, como afirma Emeleus et al.1996, p. 1996, p. 429). 429). The action was held to be caused by the crystal- Se llev a cabo la accin que es causada por la cristalizacin lization of cumulus olivine at the floor of sills invaded by ade olivino acumulado en el suelo de los sills invadido por undense underflow of picritic magma. denso desbordamiento del magma picritic. The growth of olivine crys- El crecimiento de los cristales de olivino tals released light rejected solute, rich in plagioclase compo-libera luz del soluto rechazada, ricas en contenido de plagioclasa, las que se elevaron rpidamente hasta el techo cerca del sill, dondethe heat released from the floor did the work of melting the el calor liberado por el suelo hizo el trabajo de fusin del roof.techo. This source-sink action was considered to be a magmatic Esta accin fuente-sumidero se considera que es una heat pump (Morse 1986c). bomba de calor magmtica (Morse 1986c). In this paper, I refer to both the outer core and the GMC as En este artculo, me refiero tanto al ncleo externo y el GMC comoheat pumps delivering heat by compositional convection from bombas de calor que entregan calor por conveccin de composicin dea source to a sink. una fuente a un sumidero. At the inner core boundary, the freezing of En el lmite entre el ncleo interno, la congelacin dethe inner core is the ultimate heat source for both pumps, andl ncleo interno es la fuente final de calor para ambas bombas, ythe action of melting at the CMB is the sink. la accin de fusin en el CMB es el sumidero. The outer core is El ncleo externo esallowed to claim the title magmatic in the interest of con- permitido para reclamar el ttulo "magmtico" en el inters de concisinciseness, but also as the whimsical uncertain mixture of all, sino tambin como la caprichosa "mezcla incierta de todosthe elements (Birch 1952) that it must be. los elementos "(Abedul 1952) que deben ser. In the reference En el marco de referencia del GMC, el ncleo externo en el CMB es la fuente de calor, and melting of the mantle is the sink. y la fusin del manto es el sumidero.

DESCRIPCIN GENERAL DE BOMBEO GMCA schematic overview of the presumed action in a giant Una visin esquemtica de la presunta accin de una gigantemagma chamber at the CMB is shown in Figure 3. Heat flux cmara de magma en el CMB se muestra en la Figura 3. Flujo de calorfrom the core causes excessive melting at the CMB. desde el ncleo provoca excesiva fusin en el CMB. The CMB La masa fundida CMB est melt is saturated in Fe and of maximum density relative to thesaturada en Fe y de la densidad mxima con respecto al conjunto del manto. The basal layer mixes upward by turbu- La capa basal se mezcla hacia arriba por turbulencia. lence.Se enfra al hacerlo, y cristaliza metales de Fe ymagnesiowstite are assumed to nucleate and grow. magnesiowustita se asumen para nuclear y crecer. At large En Tamaos de cristales suficiente grandes y la densidad de poblacin, stos son esperadosto sink in two-phase plumes (Morse 1986a) that may tend to a hundirse en las plumas de dos fases (Morse 1986a) que pueden tender aoverwhelm the turbulent flow locally. abrumar al flujo turbulento a nivel local. As they grow, the dense A medida que crecen, los densoscrystals release light rejected solute that escapes in composi- cristales liberan luz rechazado soluto que se escapa en la conveccin composicinal, llevando el calor latente hacia arriba con l (flecha hacia arriba se muestra en la fig. 3). Basal crystal accumulation and magma La acumulacin de cristales basales y el estancamiento del magma stagnation are prevented by remelting. se impiden por refusin. The presence of dense La presencia de cristales densos

F FIGUREIGURA 2. Variation in liquid composition from core-saturated at 2. La variacin en la composicin lquida del ncleo saturado-en el CMB al manto-saturado en el techo de una cmara magmtica. Elliquid metal of the outer core saturates the first silicate melt with metal lquido del ncleo externo satura la primera masa fundida de silicato conmetallic Fe and also adds FeO to it, decreasing the Mg number. Fe metlico y tambin aade FeO a la misma, disminuyendo el nmero de Mg. The Elstable Fe content is a maximum at the CMB where the melt is hottest; contenido estable de Fe es un mximo en el CMB donde es ms caliente la masa fundida; it may also be augmented by metastable mechanical mixing. Tambin se puede aumentar mediante mezclado mecnico metaestable. The liquid El lquidoat the roof has presumably lost most or all of its dissolved Fe by en el techo ha perdido probablemente la mayor parte o la totalidad de su Fe disuelto porcrystallization of metal and some magnesiowstite in the cooling cristalizacin de metal y algunos magnesiowustita en el gradiente de enfriamiento. Esto es saturado con las fases del manto, y ms rico en silicatos. crystals is therefore transient, but it plays a role in heat trans- es, por lo tanto transitoria, pero juega un papel en la transmisin de calor.Toward the top of the GMC there is a mushy zone where Hacia la parte superior de la GMC hay una zona pastosa donde elmagma and buoyant silicate crystals vary compositionally over magma y cristales de silicato de flotacin varan en composicin sobrea strong thermal gradient. un fuerte gradiente trmico. The crystal population increases La poblacin de cristal aumenta ascendente a 1,0 en la interfaz con manto sin fundir. La blandazone is composed of melting crystals and their melt product, zona se compone de cristales fundidos y su producto de fusin,which is dense relative to the crystalline mantle. que es denso en relacin con el manto cristalino. The roof melt La masa fundida de techois dense because it is enriched in Fe and compressible, relative es denso debido a que se enriquece en Fe y compresible, relativato the mantle crystals (but see Agee 1998). a los cristales del manto (pero vase Agee 1998).

T ESTRUCTURA TRMICA

Thermal details are represented in Figure 4, a temperature- Detalles trmicos estn representadas en la Figura 4, una por temperatura -depth ( T - Z ) diagram through the thermal boundary layer of the profundidad (T - Z) diagrama a travs de la capa lmite trmica delGMC. GMC. The ambient temperature is shown as a heavy line, which La temperatura ambiente se muestra como una lnea gruesa, que exceeds the liquidus of the dense, Fe-rich mantle liquid at the La temperatura de ambiente muestra como una lnea fuerte, lo que supera la de la densidad del lquido, lquido del manto rica en Fe en labase of the GMC. base de la GMC. Such a completely liquid layer is not re- Tal capa de lquido no es completamente re Dicha capa completamente lquida no es requerida por interpretaciones ssmicas existentesquired by existing seismic interpretations, but is conjectured, pero se conjetura to occur because of the possibly much higher temperature of que se produzca debido a la temperatura posiblemente mucho ms alta del ncleo externo que de la asociacin solida mineral metalat core-mantle interface. en la interface ncleo-manto. At the CMB, the liquid acquires satu- En la CMB, el lquido adquiere saturacin En la CMB, el lquido adquiere la saturacin con el metalration with metal, and may well become a turbulent mixture of, y bien puede ser una mezcla turbulenta de immiscible metal and silicate meltsa dispersed-phase pair ofmetal inmiscible y silicato de fundido dispersa Fase par de liquidos inmiscibles.The temperature profile is pinned to the multiphase (S + L) El perfil de temperatura se fija en la multifase (S + L) condition throughout the mushy zone, from which it emerges condicin en toda la zona pastosa, de la cual emergeat the roof solidus and continues in the local thermal boundary en el solidus techo y contina en la capa lmite trmal local y de all hacia arriba del manto adiabtico. The mushy zone La zona pastosa is a heat sink, into which remote latent heat from the inner core La zona pastosa es un disipador de calor, en el que a distancia latente de calor desde el lmite del ncleo interno y el calor local latente a partir de cristales densos se bombea by compositional convection. por conveccin de composicional. It must be assumed that the Hay que suponer que el magma and crystal compositions vary from Fe-rich at the base Es de suponer que las composiciones de magma y cristales varan de rica en Fe en la base a rica en Mg en el techo refractario. ent is implied by the condition of saturation in Fe metal from Dicha gradiente composicional est implcito en la condicin de saturacin en el metal de Fe desdethe core, along with magnesiowstite, at the CMB, and the el ncleo, junto con magnesiowustita, en el CMB, y elexpectation that the usual refractory nature of the Mg end-mem- expectativa de que la naturaleza refractaria natural de los miembros extremos del Mg es vlido para las soluciones de silicato cristalino.bers holds for the silicate crystalline solutions. Un gradiente de composicin esquemtica se muestra, que va desde una temperatura de slido rica Fe en el CMB a un solidus ricos en Mg en el techo GMC. compositional gradient is shown, running from an Fe-rich soli-El lquido del manto rico en Fe define la base de la zona pastosa.mushy zone.

MS DETALLES

Further details of the assumed action in the GMC can be Ms detalles de la accin asumida en el GMC pueden serdiscussed in the context of Figure 4. Heat flows from the outer discutidos en el contexto de la Figura 4. El calor fluye desde el ncleo externo a la CMB, la fuente de calor local. The assemblage shown El conjunto se muestra El conjunto se muestrain Figure 2, pv + mw s, is assumed to be present in the mantle en la Figura 2, PV + mw s, se supone que es presente en el techo del manto (disipador de calor) de la GMC. Liquid in the mushy zone is Lquido en la zona blanda es El lquido en la zona pastosa se supone que esta saturado con al menos el ms abundante de estas fases, pv y MW.assumed to be saturated with at least the most abundant of these El lquido es denso y drena hacia abajo.If mw is dense relative to pv and local liquid (Mao et al. 1997), Si mw es denso en relacin con pv y el lquido local (Mao et al. 1997),the mw may sink out of the mushy zone, perhaps carrying its el mw puede hundirse fuera de la zona pastosa, tal vez llevar a su own two-phase flow along with it. propio flujo de dos fases junto con l. Further crystallization of Adems cristalizacin de Adems cristalizacin de mw y el metal en la zona de suspensin transitoria cerca de la base de la GMC aumentar cualquier tendencia a aumentar el flujo de L + S multifase en el GMC.mw and metal in the transient slurry zone near the base of the Esta cristalizacin libera un soluto de luz rechazada,jected solute, causing a compositional convection plume to arise causando un penacho de conveccin composicional que surge en la capa inferior de la GMC.

ESPECULACIONES ADICIONALES

If Fe-rich magma near the CMB becomes superheated Si el magma rica en Fe cerca de la CMB se encuentra suficientemente sobrecalentadoenough to overcome its intrinsic compositional density, there para superar su densidad de composicin intrnseca, hayis a possibility that it will rise occasionally through the entire la posibilidad de que se elevar de vez en cuando a travs de toda la cmara de magma e interactuar con las rocas del techo, que luegomay join a mantle plume. pueden unirse a una pluma del manto. In this way, anomalously Fe-rich De esta manera, anmalamente rica en Fe mantle source regions might be generated over geologic time. De esta manera, las regiones de origen manto anmalamente ricos en Fe se pueden generar a travs del tiempo geolgico.If giant magma chambers exist in today's cooler Earth, they Si existen cmaras de magma gigantes en la Tierra ms fra de hoy,must have been even more significant in the hotter past. deberan haber sido an ms significativas en el pasado ms caliente. Nuestra alta correlacin con los puntos calientes conocidos (Williams et al. 1998) mostrando Their Suque no se cubrieron en gran medida por otras caractersticas de la parte inferior del mantohigh correlation with known hot spots (Williams et al. 1998) (e.g., Kellogg et al. 1999).shows that they are not heavily blanketed by other features of great areal extent of some ultra-low-velocity zones, it is tempt- En vista de la gran extensin superficial de algunas zonas ultra-baja velocidad, es tentador considerar su posible conexin con magmatismo cortical a gran escala.tion, two candidates that might involve Fe-rich source regions Recordando inferencias 5 y 6 despus de la introduccin, dos candidatos que podran involucrar a las regiones de origen ricos en Fe vienen a la mente.Such GMC-related source regions would help to explain Tales regiones de origen relacionadas con el GMC ayudaran a explicar the Al-Fe rich nature of olivine-bearing magmas parental to la rica naturaleza de Al-Fe de magmas parentales de olivino Rodado de macisos proterozoicos de anortosita, como se comenta por Olson yMorse (1990), Olson (1992), and Scoates and Mitchell (2000). Morse (1990), Olson (1992), y Scoates y Mitchell (2000). These troctolitic magmas are problematical in that they appear Estos magmas troctolitic son problemticas en el que aparecenevolved in their Fe-richness, and yet are hot and typically far "Evolucionado" en su Fe-riqueza, y sin embargo, estn calientes y tpicamente lejosfrom saturation with augite, and can carry trace-element and de la saturacin con augita, y puede llevar a oligoelementos yisotopic signatures not usually associated with evolved or con- firmas isotpicas no generalmente asociadas con magmas evolucionados o contaminados. is furnished by the hypothesis of old, Fe-rich source regions est decorado por la hiptesis de viejas regiones, fuente rica en Fe Una resolucin cmoda para este problema es proporcionada por la hiptesis de viejos regiones de origen, Fe-ricos en ltima instancia, derivados de la interaccin con el metal en el CMB. ultimately derived from interaction with metal at the CMB. Continental flood basalts constitute another voluminous Basaltos de inundacin continentales constituyen otra voluminosomagma type that is relatively Fe-rich and could arise from Fe- Tipo de magma que es relativamente rica en Fe y podra surgir de un manto rico en Fe (Macdougall 1988). Most of these can be ascribed La mayora de ellos se pueden atribuir La mayora de ellos se pueden atribuir a las fuentes plumas y la fractura continental relacionada, como por ejemplo la enorme provincia magmtica del Atlntico central postulada o cerca del lmite Trisico-Jursico (Marzoli et al. 1999). El papel de las cmaras de magma CMB en el origen de estas grandes provincias gneas parece atractivo como una alternativa posible, o incluso compaero, a otras explicaciones como la litosfera reciclado.

F FIGUREIGURA 3. Cartoon arrangement of a giant magma chamber (GMC) 3. Disposicin de la historieta de una cmara de magma gigante (GMC)at the CMB; en el CMB; vertical exaggeration about 30. exageracin vertical de 30 . The GMC is assumed to El GMC se suponeexageracin vertical de 30 . El GMC se supone que ser repuesto por el drenaje lateral a partir de D ''.liquid (L) that is denser than the local solid mantle. Se compone de lquido rico en Fe (L) que es ms denso que el manto slido local.Regionalmente extensa fusin se asume debido a un local de alto flujo de calor desde el ncleo externo (OC), como se sugiere en el perfil QX. Este enfoque del flujo de calor, Q, es, a su vez, supone para ser acoplado a un gran flujo de la capa en la parte superior de la GMC.is, in turn, assumed to be coupled to a large flux to the mantle at the Se producen dos tipos de conveccin composicional (CC). El flujo caliente primario es el elemento de la luz rechazada-soluto de la congelacin del ncleo interno (Braginsky 1963) y el aumento de la CMB.The primary hot flux is the light-element rejected solute from theThe secondary flux is drainage of dense melt from the mantle, coupled El flujo secundario es el drenaje de la masa fundida densa del manto, juntowith the light rejected solute carrying the latent heat of crystallization con el soluto rechazado la luz que lleva el calor latente de cristalizacinupward and away from sinking crystals of magnesiowstite (mw) and hacia arriba y lejos de hundimiento cristales de magnesiowustita (MW) ymetal in the GMC. metal en el GMC.

OBSERVACIONES FINALES

Two kinds of compositional convection may occur in the Dos tipos de conveccin composicional pueden ocurrir en laCMB magma chamber. Cmara de magma CMB. First, melting of the mantle yields a En primer lugar, la fusin del manto produce una En primer lugar, la fusin de la capa se obtiene un lquido denso que drena hacia abajo desde los cristales de silicato, llevando caloras negativas.dense liquid that drains downward from the silicate crystals, the CMB, where it acquires Fe by saturation with the core metal, Esta masa fundida se convierte en recalentado en el CMB, donde adquiere Fe por la saturacin con el metal del ncleo, and perhaps by physical mixing of immiscible metal and sili- y quizs metales inmiscibles mezclados por fsica y liquido de silicio. En segundo lugar, cuando la mezcla turbulenta CMB se transfiere a niveles ms altos y ms fras de la cmara debe cristalizar cristales densos de metal y probablemente tambin magnesiowustita cuyos componentes se han contribuido desde el ncleo. bulently to higher and cooler levels of the chamber it must El crecimiento de estos cristales libera una corriente de flotacin que es sobrecalentado relativa a los cristales de silicato. Esta corriente transfiere el calor hacia arriba donde puede ser absorbido en el ulterior de fusin del manto de roca.No hay ganancia neta en la prdida de calor de la cristalizacin de fases densas que ya se han fundido en otro nivel como, por ejemplo, al menos algunos cristales magnesiowustita residenin the mantle. en el manto. The initial pumping effect comes from the down- El efecto inicial de bombeo viene del abajo ward drainage of dense melt from the crystalline mantle as- El efecto inicial de bombeo proviene de la cuenca baja de la fusin densa del conjunto del manto cristalino. semblage. Este flujo acta como un retrograduador, que luego absorbe calor en el CMB a ser sobrecalentado y enriquecida en metal. heat at the CMB to become superheated and enriched in metal. The GMC is a welt of varying thickness on the D'' layer. El GMC es un borde de grosor variable en la capa D ''. It Es Se bombea calor desde el ncleo por encima del manto, inevitablemente alimentando una pluma del manto. La ultima fuente de calor es la congelacin del ncleo interno, desde el cual el calor latente de cristalizacin se bombea hacia el exterior por conveccin de composicin. Since magmas forming at the CMB must be among the most Desde magmas se forman en el CMB deben estar entre los msFe- and FeO-rich primitive magmas in the Earth, they may have Magmas primitivos ricos en Fe- y FeO en la Tierra, pueden tenerthe capacity to cause variably Fe-rich mantle source rocks that la capacidad de causar variable en el manto generando rocas ricas en Fe que eventualmente podran ser aprovechadas por el derretimiento en el manto superior. Tales regiones de origen podran ayudar a explicar la naturaleza rica en Al-Fe de magmas parentales para macizos del Proterozoico con anortositas, y el carcter distintivo de la composicin de los basaltos de inundacin relacionados con plumas.

FFIGUREIGURA4. Schematic thermal structure of a magma layer at the 4. estructura trmica esquemtica de una capa de magma en elCMB. CMB. The entire magma layer occupies part of a thermal boundary La capa entera magma ocupa parte de un lmite trmica La capa entera magma ocupa parte de una capa lmite trmico que va desde el manto por encima de la GMC a la CMB. layer reaching from the mantle above the GMC to the CMB. La fuente de calor es el metal fundido de la OC. Si el magma reside en el CMB, el lquido debe ser denso relativa a los cristales, por lo que la base de la GMC es una capa de lquido. Los cristales de composicin variable rellenan una (S + L) zona pastosa cerca del techo. El calor latente de fusin hace que el manto se convierta en un disipador de calor para la refrigeracin del ncleo. crystals present in the mushy zone will tend to sink into the basal liquid, Cualquier metal o cristales mw presentes en la zona pastosa tendern a hundirse en el lquido basal, donde se refusinaran. El perfil trmico va desde solidus en el manto ricos en Fe en la parte superior de la GMC a travs de los solidus ricos en Mg, a los ricos liquidus Fe en la parte inferior de la zona pastosa. Luego contina en una adiabtica bien agitada a travs de la capa de lquido, en la parte inferior de la cual se fija a la temperatura de liquidus OC ambiente metal. silicate liquid density rises with Fe content and is highest at the contact Debido a que la densidad del lquido de silicato aumenta con el contenido de Fe y es mayor en el contacto con el metal del ncleo externo, la composicin del magma GMC magma vara de densidad , Fe saturado a ligero en el CMB, composiciones ms ricas de Mg cerca del techo de la GMC.