Decifrare i misteri delle LLSVP: simulazioni realistiche della Terra per svelare temperature iniziali al CMB, densità e abbondanze primordiali di elementi radioattivi nei superplume

Large low shear-wave velocity provinces (LLSVPs) are continent-scale structures in the lowermost mantle whose composition, origin, and long-term stability remain uncertain. Many previous LLSVP simulations simplify mantle thermodynamics through the Boussinesq approximation or parametrized material properties. This thesis instead investigates whether a primordial basal reservoir can survive 4.5 Gyr of mantle convection using a more physically realistic numerical framework. Simulations were performed with the geodynamic code ASPECT using a compressible formulation, pressure-, temperature-, and phase-dependent thermodynamic properties, variable thermal conductivity, radiogenic heating, temperature-dependent rheology, and an evolving core–mantle boundary temperature. Most calculations employed two-dimensional quarter-shell geometries, complemented by a three-dimensional experiment designed to examine rapid upward transport. The results show that long-term survival requires a restricted combination of compositional density, thermal state, radiogenic heating, and viscosity. Material that becomes too buoyant is entrained into the mantle, whereas excessively dense material produces layered convection. Stable thermochemical piles occupy the intermediate regime. The simulations further reveal a recurrent vacuum effect, during which still-connected LLSVP material is transported across the mantle transition zone through narrow conduits and spreads into the upper mantle. Increasing viscosity delays this process but does not necessarily suppress it, while the three-dimensional experiment confirms that it is not restricted to two-dimensional geometry. Final LLSVP morphology and CMB exposure also regulate core cooling more strongly than core potassium alone. Overall, the results favour a mobile primordial reservoir continuously reorganized by mantle convection and demonstrate that LLSVP stability, relief, effective density, and core thermal evolution must be treated as parts of the same coupled system.

Le grandi province a bassa velocità delle onde di taglio (LLSVP) sono strutture di scala continentale situate nella porzione più profonda del mantello, la cui composizione, origine e stabilità a lungo termine rimangono incerte. Molte precedenti simulazioni delle LLSVP semplificano la termodinamica del mantello mediante l’approssimazione di Boussinesq o proprietà dei materiali parametrizzate. Questa tesi indaga invece se un serbatoio basale primordiale possa sopravvivere a 4,5 miliardi di anni di convezione mantellare, utilizzando un modello numerico fisicamente più realistico. Le simulazioni sono state eseguite con il codice geodinamico ASPECT, adottando una formulazione comprimibile, proprietà termodinamiche dipendenti dalla pressione, dalla temperatura e dalla fase mineralogica, conducibilità termica variabile, riscaldamento radiogenico, reologia dipendente dalla temperatura e una temperatura del limite nucleo–mantello (CMB) variabile nel tempo. La maggior parte dei calcoli ha impiegato geometrie bidimensionali a quarto di guscio, integrate da un esperimento tridimensionale progettato per esaminare il rapido trasporto verso l’alto. I risultati mostrano che la sopravvivenza a lungo termine richiede una combinazione ben delimitata di densità composizionale, stato termico, riscaldamento radiogenico e viscosità. Il materiale che acquisisce una spinta di galleggiamento eccessiva viene trascinato e disperso nel mantello, mentre quello eccessivamente denso produce convezione stratificata. Gli accumuli termochimici stabili occupano il regime intermedio. Le simulazioni rivelano inoltre un ricorrente effetto di aspirazione (vacuum effect), durante il quale il materiale delle LLSVP, ancora collegato al serbatoio basale, viene trasportato attraverso la zona di transizione del mantello lungo condotti stretti e si espande nel mantello superiore. L’aumento della viscosità ritarda questo processo, ma non necessariamente lo sopprime, mentre l’esperimento tridimensionale conferma che esso non è limitato alla geometria bidimensionale. La morfologia finale delle LLSVP e la frazione esposta del CMB regolano inoltre il raffreddamento del nucleo più del solo contenuto di potassio nel nucleo. Nel complesso, i risultati favoriscono l’ipotesi di un serbatoio primordiale mobile, continuamente riorganizzato dalla convezione mantellare, e dimostrano che la stabilità, il rilievo e la densità effettiva delle LLSVP, insieme all’evoluzione termica del nucleo, devono essere considerati componenti dello stesso sistema accoppiato.