SEBERAPA BESAR BUTIRAN DI DASAR MANTEL?

Jauh di bawah Afrika dan Samudra Pasifik, di dasar mantel, gelombang seismik melambat di dua wilayah raksasa yang dikenal sebagai provinsi kecepatan geser rendah yang besar (large low shear-velocity provinces, LLSVP). Keduanya menjulang lebih dari 1.000 km di atas batas dengan inti dan menutupi hampir seperempat luasnya. Apakah keduanya lebih panas, berbeda secara kimia, atau keduanya, masih diperdebatkan. Studi atenuasi seismik mengisyaratkan bahwa keduanya tersusun dari butiran kasar, dikelilingi mantel yang berbutir lebih halus.

Salah satu bahan yang dicurigai adalah davemaoit, kalsium silikat berstruktur perovskit, mineral paling melimpah ketiga di mantel bawah: sekitar 10% dari pirolit, model standar batuan mantel, dan hingga 25% dari basal yang tersubduksi.

Teka-teki tiga puluh persen

Davemaoit sulit dipelajari. Mineral ini tidak dapat dibawa utuh ke permukaan — strukturnya berubah ketika mendingin dan menjadi seperti kaca ketika tekanan turun — sehingga elastisitasnya harus diukur pada tekanan dan suhu tinggi. Dan di situlah, selama puluhan tahun, teori dan eksperimen tidak sepakat: perhitungan kuantum memprediksi modulus geser sekitar 30% lebih tinggi daripada yang terukur. Untuk sebagian besar mineral mantel, keduanya sangat sesuai.

Peiyu Zhang, Liang Yuan, dan rekan-rekan di Universitas Geosains Tiongkok di Wuhan, Universitas Bayreuth di Jerman, dan Universitas Michigan mencurigai sampelnya. Setiap pengukuran laboratorium memakai polikristal yang dibuat dari kaca, dengan butiran berukuran hanya puluhan nanometer — artinya banyak sekali batas butir. Lapisan tipis tak teratur di batas-batas itu, atau sisa kaca, nyaris tidak tampak dalam difraksi sinar-X tetapi dapat melunakkan material.

Jutaan atom

Untuk mengujinya, tim melatih model pembelajaran mesin untuk gaya antaratom dengan perhitungan kuantum yang mencakup 0–100 gigapascal dan 0–6.000 kelvin, cukup akurat untuk menyimulasikan sistem yang sangat besar. Mereka terlebih dahulu memeriksa hal dasar: di mantel bawah, davemaoit rata-rata berbentuk kubik. Kristal tunggal sempurna berisi 20.480 atom masih menghasilkan gelombang geser lebih dari 10% terlalu cepat dibandingkan eksperimen — jadi baik ukuran simulasi maupun perubahan fase di dekatnya tidak menjelaskan kesenjangan itu.

Lalu mereka membangun kotak selebar sekitar 30 nanometer yang berisi 15, 120, atau 480 butiran berorientasi acak, hingga 3,4 juta atom, pada 50 gigapascal dan 2.142 kelvin. Makin halus butirannya, makin besar fraksi yang tidak teratur: 1,8, 3,5, dan 5,8% volume.

Sedikit ketidakteraturan, pelunakan besar

Antara kristal sempurna dan sampel 480 butir:

• modulus geser turun 37% (dari 213 menjadi 136 gigapascal);
• modulus ruah hanya turun 12%;
• kecepatan gelombang geser turun 19,3%, kecepatan gelombang tekan 10,6%.

Jadi, ketidakteraturan batas butir sebesar beberapa persen saja sudah cukup untuk menyelaraskan teori dengan eksperimen. Pola sinar-X hasil simulasi nyaris tidak berubah pada rentang yang sama, itulah sebabnya para eksperimentalis tidak dapat melihatnya. Polikristal berperilaku seperti susunan paling lunak yang dimungkinkan fisika: kekakuannya ditentukan oleh jaringan batas-batas lentur yang saling terhubung.

Batas bawah ukuran butir

Ketika dimasukkan ke dalam model batuan mantel, davemaoit yang melunak menghasilkan tanda serupa LLSVP pada material kaya basal: gelombang geser 6,2% lebih lambat daripada pada pirolit, sedangkan gelombang tekan hanya 1,9% lebih lambat. Para penulis menegaskan bahwa ini menunjukkan sebuah mekanisme, bukan bahwa butiran sehalus itu benar-benar ada di bawah sana.

Jika dibalik, hubungan ini memberi batasan. Fraksi yang tidak teratur kira-kira sebanding dengan lebar batas (sekitar 1 nanometer) dibagi ukuran butir. Agar anomali gelombang tekan yang kecil seperti yang teramati di LLSVP tetap terjaga, fraksi itu harus tetap di bawah sekitar 1%, sehingga butiran harus selebar setidaknya sekitar 100 nanometer. Batas bawah ini sesuai dengan model pertumbuhan butir di mantel yang berkonveksi dan dengan bukti seismik tentang LLSVP berbutir kasar.

Simulasi ini memakai kalsium silikat murni, sedangkan davemaoit alami mengandung natrium, kalium, besi, aluminium, dan titanium, dan butiran dalam simulasi jauh lebih kecil daripada butiran mantel yang sebenarnya. Tim mengusulkan tiga jalur laboratorium — hamburan sinar-X total, pencitraan Raman, dan pemetaan kimia batas butir pada skala nano — untuk akhirnya mengukur seberapa banyak ketidakteraturan yang tersembunyi dalam sampel-sampel yang selama ini menentukan angka-angkanya.