Первое наблюдение сверхгидратированной фазы глинистого минерала каолинита может улучшить наше понимание процессов, которые приводят к вулканизму и влияют на землетрясения. В рентгеновских измерениях высокого давления и высокой температуры, которые частично проводились в DESY, ученые создали условия, подобные тем, которые существуют в так называемых зонах субдукции, где океаническая плита погружается под континентальную кору. Перенос и выброс воды во время субдукции вызывает сильную вулканическую активность. Международная группа под руководством ученых Университета Йонсей в Республике Корея представляет результаты в научном журнале Nature Geoscience.
В зоне субдукции тяжелая океаническая плита встречает вторую, более легкую континентальную плиту и движется под ней и вглубь земной мантии. С океанической плитой вода попадает на землю, поскольку она задерживается в минералах океанической коры или вышележащих отложениях. Эти минералы медленно погружаются глубже в мантию в течение миллионов лет. С увеличением глубины, температуры и давления минералы становятся неустойчивыми, разрушаются и превращаются в новые соединения.
Во время этих превращений вода высвобождается и поднимается в окружающую, более горячую мантию, где она снижает температуру плавления мантийной породы. «Когда мантийные породы тают, образуется магма. Это может привести к вулканической активности, когда магма поднимается на поверхность», - объясняет Йонджэ Ли из Университета Йонсей, который руководил исследованием.«Хотя мы знаем, что круговорот воды в зонах субдукции влияет на вулканизм и, возможно, на сейсмичность, мы мало знаем о процессах, формирующих этот цикл».
Поскольку эти процессы происходят на много километров под поверхностью Земли, наблюдать их напрямую невозможно. Даже Кольская сверхглубокая скважина в России, самая глубокая скважина на Земле, достигает глубины не более 12 262 метров. Один из способов узнать больше о преобразованиях на больших глубинах зон субдукции - создать аналогичные условия в лаборатории. Измерения при высоких давлениях и температурах позволяют ученым внимательно изучить структурные изменения в различных минералах, образующих земную кору и отложения.
Одним из этих минералов является каолинит, глинистый минерал, содержащий алюминий, который является важной частью океанических отложений. Теперь ученые смогли наблюдать образование новой фазы минерала, так называемого сверхгидратированного каолинита. Они исследовали образец каолинита в присутствии воды при давлениях и температурах, соответствующих тем, которые находятся на разных глубинах в зонах субдукции. С помощью рентгеновской дифракции и измерения инфракрасных спектров были охарактеризованы структурные и химические изменения.
При давлении около 2,5 гигапаскалей (ГПа), что более чем в 25 000 раз превышает среднее давление на уровне моря, и температуре 200 градусов Цельсия наблюдалась сверхгидратированная фаза. Эти условия присутствуют на глубине около 75 километров в зонах субдукции. В новой фазе молекулы воды заключены между слоями минерала. Супергидратированный каолинит содержит больше воды, чем любой другой известный алюмосиликатный минерал в мантии. Когда давление и температура возвращаются к условиям окружающей среды, конструкция возвращается к своей первоначальной форме.
В измерениях, проведенных в экстремальных условиях Beamline P02.2 на источнике рентгеновского излучения DESY PETRA III, ученые исследовали распад новой фазы при еще более высоких давлениях и температурах.«Наш канал обеспечивает среду для исследования образцов при экстремальных давлениях и температурах. Используя так называемую ячейку с графитовой резистивной нагреваемой алмазной наковальней, мы смогли наблюдать изменения при давлении до 19 гигапаскалей и температуре до 800 градусов», - говорит ученый DESY Ханнс-Питер Лирманн из Extreme Conditions Beamline, соавтор исследования. Сверхгидратированный каолинит разрушился при 5 ГигаПаскалях и 500 градусах, два дополнительных превращения произошли при более высоких давлениях и температурах. При этих превращениях выделяется вода, интеркалированная в каолинит.
Наблюдение за образованием и разрушением сверхгидратированного каолинита несет важную информацию о процессах, происходящих на глубине от 75 до 480 километров в зонах субдукции. Высвобождение воды, происходящее при разрушении сверхгидратированного каолинита, может быть важной частью круговорота воды, вызывающего вулканизм в зонах субдукции. Разрушение, вероятно, происходит на глубине около 200 километров, высвобожденная вода может способствовать образованию магмы.
Кроме того, супергидратированный каолинит может влиять на сейсмичность. При образовании новой фазы вода, окружающая каолинит, удаляется из окружающей среды. Это может изменить трение между погружающимися и вышележащими плитами. Ученые предполагают, что другие минералы в осадке или земной коре могли подвергаться аналогичным преобразованиям. Таким образом, исследование могло бы улучшить понимание геохимических процессов в зонах субдукции Земли.