Cirkulation af vand i dyb jordens indre

Fase H er et vandholdigt mineral, der anses for at være en vigtig bærer af vand til dyb jord. Vi bestemte dissociationstilstanden for fase H ved en teoretisk beregning baseret på kvantemekanik. Fase H nedbrydes ved ca. 60 GPa ved 1000 K. Dette indikerer, at transporten af ​​vand i fase H kan afsluttes i en dybde på ca. 500 km midt i den nederste kappe.

Eksistensen af ​​vand på dyb jord anses for at spille en vigtig rolle inden for geodynamik, fordi vand drastisk ændrer de fysiske egenskaber ved kappe, såsom smeltetemperatur, elektrisk ledningsevne, og reologiske egenskaber. Vand transporteres ind i dyb jord af de vandholdige mineraler i de subducerende kolde plader. Vandholdige mineraler, såsom slange, glimmer- og lermineraler, indeholde H. ₂ O i form af hydroxyl (-OH) i krystalstrukturen. De fleste vandholdige mineraler nedbrydes til vandfrie mineraler og vand (H ₂ O) når de transporteres til dyb jord, på 40-100 km dybde, på grund af de høje temperatur- og trykforhold.

Imidlertid, det er også blevet rapporteret, at nogle vandholdige mineraler, kaldet tætte vandige magnesiumsilicater (DHMS'er), kan overleve i den dybere del af Jordens indre, hvis subduktionspladen er betydeligt koldere end den omgivende kappe. DHMS er en række vandholdige mineraler, der har høj stabilitet under pres fra dyb jordens indre. DHMS omtales også som "alfabetfaser":fase A, fase B, fase D, etc.

Indtil for nylig fase D (kemisk sammensætning:MgSi ₂ O ₆ H ₂ ) var kendt for at være den højeste trykfase for DHMS'er. Imidlertid, Tsuchiya 2013 foretog første beregning af principper (en teoretisk beregningsmetode baseret på kvantemekanik) for at undersøge stabiliteten af ​​fase D under tryk og fandt ud af, at denne fase omdannes til en ny fase med en kemisk sammensætning af MgSiO ₄ H ₂ (plus stishovite, en højtryksform af SiO ₂ , hvis systemet holder den samme kemiske sammensætning) over 40 GPa (GPa =109 Pa). Denne forudsagte fase er blevet eksperimentelt bekræftet af Nishi et al. 2014 og navngivet som "fase H" (figur 1). Den teoretiske beregning af Tsuchiya 2013 antyder også, at fase H til sidst nedbrydes til det vandfri mineral MgSiO ₃ ved at frigive H ₂ O ved yderligere komprimering.

Selvom den teoretiske beregning estimerede nedbrydningstrykket i fase H omkring midten af ​​den nedre kappe (fra 660 km til 2900 km dybde), en detaljeret bestemmelse endnu ikke er opnået, fordi estimeringen af ​​Gibbs frie energi af H ₂ O var nødvendig for at bestemme nedbrydningstrykket i fase H. Gibbs gratis energi er et termodynamisk potentiale, der kan bestemme stabiliteten af ​​et system. Ved lavere kappeforhold, den H. ₂ O -fase har en krystalstruktur med uordnede brintpositioner, dvs. hydrogenpositioner er statistisk fordelt mellem flere forskellige positioner. For at beregne den uordnede tilstand af brint, Tsuchiya og Umemoto 2019 beregnede flere forskellige brintpositioner og estimerede Gibbs frie energi for H ₂ O ved hjælp af en teknik baseret på statistisk mekanik.

Som resultat, de estimerede nedbrydningstrykket i fase H til omkring 62 GPa ved 1000 K, svarende til ~ 1500 km dybde (figur 2). Dette resultat indikerer, at transport af vand ved subduktion af plade ender i midten af ​​den nedre kappe i Mg-Si-O-systemet. Tsuchiya og Umemoto 2019 foreslog også, at superionisk is kan stabiliseres ved nedbrydning af fase H i den subdukterede plade. I superionisk is, oxygenatomer krystalliserer ved gitterpunkter, hvorimod hydrogenatomer er frit mobile. De kemiske reaktioner mellem superionisk is og omgivende mineraler er endnu ikke identificeret, men høj diffusivitet af brint i superionisk is kan producere reaktioner hurtigere end i fast is, men forskellig fra vand, den flydende fase af H ₂ O.