La litosfera oceánica subducida transporta al manto inferior una cantidad significativa de basalto de dorsales oceánicas (MORB). Partes de esta corteza pueden desprenderse y acumularse en el límite entre el manto superior e inferior, formando capas químicamente distintas que se asocian con anomalías sísmicas: velocidades reducidas de ondas de corte y mayor conductividad eléctrica. La davemaoíta constituye alrededor del 23% en volumen de la corteza oceánica subducida y es una de las fases sísmicas más lentas del manto inferior. Por eso, su transición de fase de tetragonal a cúbica, acompañada de deformación espontánea y ablandamiento de los módulos elásticos, puede afectar significativamente las velocidades sísmicas. Sin embargo, los datos experimentales sobre la temperatura de esta transición eran contradictorios: las primeras mediciones con calentamiento externo daban alrededor de 600 K, mientras que los cálculos teóricos predecían 1200–2000 K. El trabajo se aparta de los vecinos del archivo, que en su mayoría estudian materiales magnéticos y superconductividad, pero temáticamente se acerca a las investigaciones del grafeno y del comportamiento colectivo, ya que también aborda distorsiones estructurales y transiciones de fase en medios condensados.
Los autores utilizaron una celda de yunques de diamante con calentamiento por láser (LHDAC) combinada con difracción de rayos X de sincrotrón en la fuente SPring-8 (línea BL10XU). Las muestras de CaSiO3 puro y de vidrio de composición CaSi0.75Ti0.25O3 se colocaron entre láminas de oro (marcador de presión) y películas de diamante borado (absorbedor del láser), rodeadas de KCl como medio transmisor de presión. El calentamiento se realizó con un láser de fibra desde ambos lados; la temperatura se midió por pirometría espectroradiométrica con una precisión de alrededor del 10%. La presión se determinó mediante el parámetro de red del oro. Los patrones de difracción se analizaron ajustando los picos a los modelos cúbico (Pm-3m) y tetragonal (P4/mmm). La transición se detectó por el cambio brusco en la anchura a media altura del pico (200) y por el salto en la relación c/a. Además, se realizó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) en una celda con calentamiento externo hasta 1000 K para confirmar la transición mediante el cambio en los espectros vibracionales.
Para el CaSiO3 puro, la transición de la fase tetragonal a la cúbica se observó a temperaturas desde 1470 K a 50 GPa hasta 1990 K a 84 GPa. Esto es 500–1000 K más alto que en los experimentos previos con calentamiento externo, pero concuerda con las predicciones teóricas. Para la composición CaSi0.75Ti0.25O3, el límite de transición resultó aún más alto: desde 1300 K a 15 GPa hasta 2410 K a 68 GPa, es decir, aproximadamente 600–700 K más alto que para la davemaoíta pura a las mismas presiones. Así, el titanio estabiliza la fase tetragonal. La extrapolación al contenido realista de titanio en el MORB subducido (5–10% molar) da una transición a profundidades de 700 a 1200 km a lo largo de la geoterma fría de la placa. También se determinaron las ecuaciones de estado térmicas: para el CaSiO3 cúbico, V0 = 45.54 ų, K0 = 243 GPa, γ0 = 1.47; para el CaSi0.75Ti0.25O3 tetragonal, V0 = 48.9 ų, K0 = 214 GPa. La densidad de la davemaoíta con 25% de titanio es 1.2–1.5% menor que la de la pura, pero sigue siendo 1.5–3.4% mayor que la del manto circundante.
Los resultados resuelven una antigua contradicción entre experimentos y teoría: la transición ocurre efectivamente a altas temperaturas, como predecían los cálculos. Esto cambia la idea de dónde se encuentra la davemaoíta en fase cúbica en el manto. En las frías placas subducidas permanece tetragonal hasta profundidades de más de 2000 km, mientras que en las regiones calientes cerca del límite núcleo-manto puede pasar a la fase cúbica. Esta sensibilidad a la temperatura y a la composición permite explicar los dispersores sísmicos en el manto inferior medio, donde se observan reducciones de la velocidad de las ondas de corte de hasta el 12%, y la contribución a las grandes provincias de baja velocidad de corte (LLSVPs) en la base del manto. El trabajo se distingue de los vecinos del archivo porque estudia una transición de fase en un mineral a presiones y temperaturas extremas, no propiedades magnéticas o superconductoras, y por primera vez mide directamente el límite de transición en una celda calentada por láser, en lugar de extrapolarlo a partir de datos de baja temperatura.
El tema podría desarrollarse hacia un estudio más detallado del efecto de otras impurezas, como el aluminio y el hidrógeno, en la temperatura de transición. También es importante medir las propiedades elásticas de la davemaoíta cerca de la transición para relacionarla cuantitativamente con las velocidades sísmicas. El avance de los métodos de calentamiento por láser y difracción de sincrotrón permitirá alcanzar presiones y temperaturas aún más altas, acercándose a las condiciones del propio límite núcleo-manto. Además, el modelado de la convección del manto que tenga en cuenta la nueva transición de fase ayudará a probar las hipótesis sobre el origen de las LLSVPs.
Los resultados influirán en la geofísica y la mineralogía del manto inferior, especialmente en la interpretación de los datos sísmicos y en los modelos de heterogeneidad química. También son importantes para comprender el destino de la corteza oceánica subducida y su papel en la evolución térmica y química de la Tierra.
El siguiente paso será medir las velocidades del sonido en la davemaoíta a altas presiones y temperaturas cerca de la transición de fase. También es necesario investigar el efecto de concentraciones realistas de titanio (5–10%) y de otras impurezas en el límite de transición.
El trabajo está directamente relacionado con el problema de explicar las anomalías sísmicas en el manto inferior, en particular los dispersores en el manto medio y las grandes provincias de baja velocidad de ondas de corte cerca del límite núcleo-manto. También aborda la cuestión de la heterogeneidad química del manto y el destino de las placas subducidas, que sigue siendo uno de los problemas clave no resueltos de la geofísica.
La davemaoíta fue reconocida oficialmente como mineral solo en 2021, aunque su existencia en el manto inferior se había sugerido durante décadas. Su nombre se debe al geofísico Ho-Kwang (David) Mao, quien contribuyó enormemente al estudio de los minerales a altas presiones.