Циркуляция воды в глубине Земли

Считается, что присутствие воды глубоко под землёй играет важную роль в геодинамике, потому что вода коренным образом меняет физические свойства мантийной породы, такие как температура плавления, электропроводность и геологические свойства. Вода транспортируется глубоко под землю содержащими воду минералами в погружающихся холодных плитах. Водные минералы, такие как серпентин, слюда и глинистые минералы, содержат воду в форме гидроксила (-ОН) в кристаллической структуре. Большинство водосодержащих минералов разлагается на безводные минералы и воду (H2O), когда они транспортируются под землю на глубину 40-100 км из-за высокой температуры и давления.

Тем не менее, также сообщалось, что некоторые водосодержащие минералы, называемые плотными гидросиликатами магния (DHMS), могут выжить в более глубокой части внутреннего пространства Земли, если субдуктирующая пластина значительно холоднее, чем окружающая ее мантия. DHMS представляет собой серию водных минералов, которые имеют высокую стабильность под давлением глубины Земли. DHMS также называют «алфавитными фазами»: фаза A, фаза B, фаза D и т. д.

До недавнего времени было известно, что фаза D (химический состав: MgSi2O6H2) является самой высокой фазой сжатия среди DHMS. Тем не менее, Tsuchiya в 2013 г. разработал первые принципы расчета (теоретический метод расчета, основанный на квантовой механике), для исследования стабильностии фазы D под давлением, и обнаружил, что эта фаза переходит в новую фазу с химическим составом MgSiO4H2 (плюс стишовит, форма SiO2 под высоким давлением, если система сохраняет тот же химический состав) выше 40 ГПа (ГПа = 109 Па). Эта предсказанная фаза была экспериментально подтверждена Nishi и его группой в 2014 г. и названа "фаза H." Теоретический расчет, проведенный Tsuchiya в 2013 г., также предполагает, что фаза H в конечном итоге разлагается на безводный минерал MgSiO3, высвобождая H2O впоследствии дальнейшего сжатия.

Несмотря на то, что теоретический расчет оценил давление разложения фазы H вокруг середины нижней мантии (от 660 км до 2900 км глубины), детальное определение еще не было достигнуто, потому что оценка свободной энергии Гиббса H2O была необходима чтобы определить давление разложения фазы H. Свободная энергия Гиббса есть термодинамический потенциал, который может определять устойчивость системы. На больших глубинах в мантии вода имеет кристаллическую структуру с неупорядоченными положениями водорода, то есть положения водорода статистически распределены между несколькими различными положениями. Чтобы рассчитать неупорядоченное состояние водорода, Tsuchiya и Umemoto 2019 рассчитали несколько различных положений водорода и оценили свободную энергию Гиббса воды, используя методику, основанную на статистической механике.

В результате они оценили давление разложения фазы H на уровне около 62 ГПа при 1000 К, что соответствует глубине ~ 1500 км. Этот результат указывает на то, что транспортировка воды посредством субдуцирующей пластины заканчивается в середине нижней мантии в системе Mg-Si-O. Tsuchiya и Umemoto в 2019 г. также предположили, что суперйонный лед может быть стабилизирован разложением фазы H в субдуцированной пластине. В суперйонном льде атомы кислорода кристаллизуются в точках решетки, тогда как атомы водорода свободно подвижны. Химические реакции между суперйонным льдом и окружающими минералами еще не выявлены, но высокая диффузионная способность водорода в суперйонном льде может вызывать реакции быстрее, чем в твердом льде, но иначе чем в жидкой фазе H2O.