Mineralvand af ler Jordens kappe indefra

Den første observation af en superhydreret fase af lermineralet kaolinit kunne forbedre vores forståelse af processer, der fører til vulkanisme og påvirker jordskælv. I højtryks- og højtemperatur røntgenmålinger, der delvist blev udført hos DESY, forskere skabte forhold, der ligner dem i såkaldte subduktionszoner, hvor en oceanisk plade dykker under den kontinentale skorpe. Transport og frigivelse af vand under subduktion forårsager stærk vulkansk aktivitet. Et internationalt hold ledet af forskere fra Yonsei University i Republikken Korea, præsenterer resultaterne i det videnskabelige tidsskrift Natur Geovidenskab .

I en subduktionszone, en tung oceanisk plade møder et sekund, lettere kontinentalplade og bevæger sig under den og ind i jordens kappe. Med den oceaniske plade, vand kommer ind i jorden, da det er fanget i mineraler i havskorpen eller overliggende sedimenter. Disse mineraler synker langsomt dybere ned i kappen over millioner af år. Med stigende dybde, temperatur og tryk, mineralerne bliver ustabile, nedbrydes og omdannes til nye forbindelser.

Under disse transformationer, vand frigives og stiger op i omgivelserne, varmere kappe, hvor det sænker kappestenens smeltetemperatur. "Når kappeklipperne smelter, der dannes magma. Dette kan føre til vulkansk aktivitet, når magmaen stiger til overfladen, " forklarer Yongjae Lee fra Yonsei University, der ledede undersøgelsen. "Selvom vi ved, at vandkredsløbet i subduktionszoner påvirker vulkanisme og muligvis seismicitet, vi ved ikke meget om de processer, der danner denne cyklus."

Da disse processer finder sted mange kilometer under jordens overflade, det er umuligt at observere dem direkte. Selv Kola Superdeep Borehole i Rusland, den dybeste boring på jorden, når ikke dybere end 12, 262 meter. En måde at lære mere om transformationerne i større dybder af subduktionszoner er at skabe lignende forhold i laboratoriet. Højtryks- og højtemperaturmålinger giver forskerne mulighed for at se nærmere på de strukturelle ændringer i de forskellige mineraler, der danner skorpen og sedimenterne.

Et af disse mineraler er kaolinit, et lermineral indeholdende aluminium, der er en vigtig del af de oceaniske sedimenter. Forskerne var nu i stand til at observere dannelsen af ​​en ny fase af mineralet, såkaldt superhydreret kaolinit. De undersøgte en prøve af kaolinit i nærværelse af vand ved tryk og temperaturer svarende til dem i forskellige dybder i subduktionszoner. Med røntgendiffraktion og infrarøde spektramålinger, strukturelle og kemiske ændringer blev karakteriseret.

Ved et tryk på ca. 2,5 Giga-Pascal (GPa), mere end 25, 000 gange det gennemsnitlige tryk ved havoverfladen, og en temperatur på 200 grader Celsius, den superhydrerede fase blev observeret. Disse forhold er til stede i en dybde på omkring 75 kilometer i subduktionszoner. I den nye fase, vandmolekyler er indesluttet mellem lagene af mineralet. Den superhydrerede kaolinit indeholder mere vand end noget andet kendt aluminosilikatmineral i kappen. Når tryk og temperatur falder tilbage til de omgivende forhold, strukturen vender tilbage til sin oprindelige form.

I målinger udført ved Extreme Conditions Beamline P02.2 ved DESYs røntgenkilde PETRA III, forskerne undersøgte nedbrydningen af ​​den nye fase ved endnu højere tryk og temperaturer. "Vores strålelinje giver et miljø til at undersøge prøver ved ekstreme tryk og temperaturer. Ved hjælp af en såkaldt grafitresistiv opvarmet diamantamboltcelle, vi var i stand til at observere ændringerne ved et tryk på op til 19 Giga-Pascal og en temperatur på op til 800 grader, " siger DESY-forsker Hanns-Peter Liermann fra Extreme Conditions Beamline, der var medforfatter til undersøgelsen. Den superhydrerede kaolinit brød ned ved 5 Giga-Pascal og 500 grader, to yderligere transformationer skete ved højere tryk og temperaturer. Under disse transformationer, det vand, der var indlagt i kaolinitten, frigives.

Observationen af ​​dannelsen og nedbrydningen af ​​den superhydrerede kaolinit bærer vigtige oplysninger om de processer, der finder sted over et dybdeområde på omkring 75 kilometer til 480 kilometer i subduktionszoner. Frigivelsen af ​​vand, der finder sted, når den superhydrerede kaolinit nedbrydes, kan være en vigtig del af vandkredsløbet, der forårsager vulkanisme langs subduktionszoner. Sammenbruddet sker sandsynligvis under en dybde på omkring 200 kilometer, det frigivne vand kunne så bidrage til dannelsen af ​​magma.

Derudover den superhydrerede kaolinit kunne påvirke seismiciteten. Under dannelsen af ​​den nye fase, vandet, der omgiver kaolinit, fjernes fra miljøet. Dette kan ændre friktionen mellem de underliggende og de overliggende plader. Forskerne antager, at andre mineraler i sedimentet eller skorpen kan gennemgå lignende transformationer. Dermed, undersøgelsen kunne forbedre forståelsen af ​​de geokemiske processer i jordens subduktionszoner.