The melting temperature of Earth's mantle provides key constraints on the thermal structures of both the mantle and the core. Through high-pressure experiments and three-dimensional x-ray microtomographic imaging, we showed that the solidus temperature of a primitive (pyrolitic) mantle is as low as 3570 ± 200 kelvin at pressures expected near the boundary between the mantle and the outer core. Because the lowermost mantle is not globally molten, this provides an upper bound of the temperature at the core-mantle boundary (T(CMB)). Such remarkably low T(CMB) implies that the post-perovskite phase is present in wide areas of the lowermost mantle. The low T(CMB) also requires that the melting temperature of the outer core is depressed largely by impurities such as hydrogen.

Abstract Garnet peridotite xenoliths have been rarely reported from suboceanic mantle. Petrographic and geochemical characteristics of garnet-bearing oceanic peridotite xenoliths provide precious information on dynamics of the suboceanic lithosphere and asthenosphere interaction. We examined a lherzolite xenolith included in olivine nephelinite lava from Aitutaki Island, a member of the Cook-Austral volcanic chain. The lherzolite xenolith contains reddish fine-grained (< 5 µm in size) mineral aggregates (FMAs) with size range of 0.5–6 mm, consisting of olivine, calcic and sodic plagioclases, aluminous spinel, native iron, and nepheline. Microstructural observations and chemical data corroborate that the FMA is a decomposed pyrope-rich garnet including chromian spinel grains with an irregular highly indented morphology in the center. The FMA is surrounded by pyroxene-poor and olivine-rich aureole. The spatial and morphological relationships of FMA and chromian spinel with pyroxene-depleted margin suggest a reaction of aluminous spinel + pyroxenes → pyrope-rich garnet + olivine, which requires a compression before decomposition of the garnet to FMA. An orthopyroxene grain shows slight but clear chemical zoning characterized by increase in Al, Ca, and Cr from the grain center to the rim. The zoning patterns of Al and Ca in the orthopyroxene grain can be modeled by diffusion-controlled solid-state reactions induced by pressure and temperature changes, keeping surface concentrations in equilibrium with the other coexisting mineral phases. The results indicate that the mantle, from which the lherzolite xenolith was derived, underwent isothermal decompression followed by a weak heating on a time scale of a few tenths of million years before the xenolith extraction. From the deduced compression and decompression histories, we hypothesize that the mantle beneath Aitutaki Island was once dragged down to a garnet-stable deep mantle region and brought up later by small-scale sublithospheric convection.

Abstract Shock recovery experiments were performed using a two-stage light gas gun to clarify the progressive deformation microstructures of calcite at the submicron scale concerning pressure. Decaying compression pulses were produced using a projectile that was smaller than the natural marble target. In two experiments, natural marble samples were shocked to 13 and 18 GPa at the epicenters of the targets. Calcite grains shocked in the pressure range of 1.1–18 GPa were examined using polarized light microscopy and (scanning) transmission electron microscopy. The density of free dislocations in the grains shocked at 1.1–2.2 GPa [108–9 (cm-2)] is comparable to that of unshocked Carrara calcite grains. Subparallel bands of entangled dislocations less than 1 µm are formed at 4.2 GPa, and strongly entangled dislocations spread throughout the focused ion beam (FIB) sections at 7.3–18 GPa pressures. Dislocations selectively nucleate and entangle near the slip planes at pressures above ~3 GPa, corresponding to the transition from sharp extinction to undulatory extinction, according to the microstructural evolution with shock pressure. Above approximately 6 GPa, the dislocations nucleated homogeneously throughout the calcite crystals. The dislocation microstructure in a calcite grain collected from the asteroid Ryugu particle is similar to that of the experimentally shocked calcite at 4.2 GPa. The estimated pressure of 2–3 GPa, determined through fault mechanics analyses and the presence of dense sulfide minerals in the Ryugu particles, is in line with this pressure.