La primera observación de una fase superhidratada del mineral de arcilla caolinita podría mejorar nuestra comprensión de los procesos que conducen al vulcanismo y afectan a los terremotos. En mediciones de rayos X de alta presión y alta temperatura que se realizaron parcialmente en DESY, Los científicos crearon condiciones similares a las de las llamadas zonas de subducción, donde una placa oceánica se sumerge bajo la corteza continental. El transporte y la liberación de agua durante la subducción provoca una fuerte actividad volcánica. Un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Yonsei en la República de Corea, presenta los resultados en la revista científica Naturaleza Geociencia .

En una zona de subducción, una placa oceánica pesada se encuentra con una segunda, placa continental más ligera y se mueve debajo de ella y hacia el manto de la tierra. Con la placa oceánica, el agua entra a la tierra cuando queda atrapada en minerales de la corteza oceánica o sedimentos superpuestos. Estos minerales se hunden lentamente más profundamente en el manto durante millones de años. A medida que aumenta la profundidad, temperatura y presión, los minerales se vuelven inestables, descomponerse y transformarse en nuevos compuestos.

Durante estas transformaciones, el agua se libera y sube a los alrededores, manto más caliente donde disminuye la temperatura de fusión de la roca del manto. "Cuando las rocas del manto se derritan, se genera magma. Esto puede provocar actividad volcánica cuando el magma sube a la superficie, "explica Yongjae Lee de la Universidad de Yonsei, quien dirigió el estudio." Si bien sabemos que el ciclo del agua en las zonas de subducción influye en el vulcanismo y posiblemente en la sismicidad, no sabemos mucho sobre los procesos que forman este ciclo ".

Dado que estos procesos tienen lugar a muchos kilómetros bajo la superficie de la Tierra, es imposible observarlos directamente. Incluso el pozo superprofundo de Kola en Rusia, el pozo más profundo de la Tierra, no llega a más de 12, 262 metros. Una forma de aprender más sobre las transformaciones en mayores profundidades de las zonas de subducción es crear condiciones similares en el laboratorio. Las mediciones de alta presión y alta temperatura permiten a los científicos observar de cerca los cambios estructurales en los diferentes minerales que forman la corteza y los sedimentos.

Uno de estos minerales es la caolinita, un mineral de arcilla que contiene aluminio y que es una parte importante de los sedimentos oceánicos. Los científicos ahora pudieron observar la formación de una nueva fase del mineral, la denominada caolinita superhidratada. Examinaron una muestra de caolinita en presencia de agua a presiones y temperaturas correspondientes a las de diferentes profundidades en las zonas de subducción. Con difracción de rayos X y mediciones de espectros infrarrojos, se caracterizaron los cambios estructurales y químicos.

A una presión de alrededor de 2,5 Giga-Pascal (GPa), más de 25, 000 veces la presión media al nivel del mar, y una temperatura de 200 grados centígrados, se observó la fase superhidratada. Estas condiciones están presentes a una profundidad de unos 75 kilómetros en zonas de subducción. En la nueva fase, Las moléculas de agua están encerradas entre las capas del mineral. La caolinita superhidratada contiene más agua que cualquier otro mineral de aluminosilicato conocido en el manto. Cuando la presión y la temperatura vuelven a las condiciones ambientales, la estructura vuelve a su forma original.

En mediciones realizadas en la línea de haz de condiciones extremas P02.2 en la fuente de rayos X de DESY PETRA III, los científicos examinaron la ruptura de la nueva fase a presiones y temperaturas aún más altas. "Nuestra línea de luz proporciona un entorno para investigar muestras a presiones y temperaturas extremas. Utilizando una celda de yunque de diamante calentada resistiva de grafito, pudimos observar los cambios a una presión de hasta 19 Giga-Pascal y una temperatura de hasta 800 grados, ", dice el científico de DESY, Hanns-Peter Liermann, de Extreme Conditions Beamline, coautor del estudio. La caolinita superhidratada se descompuso a 5 Giga-Pascal y 500 grados, dos transformaciones adicionales ocurrieron a presiones y temperaturas más altas. Durante estas transformaciones, se libera el agua que estaba intercalada en la caolinita.

La observación de la formación y descomposición de la caolinita superhidratada brinda información importante sobre los procesos que ocurren en un rango de profundidad de aproximadamente 75 kilómetros a 480 kilómetros en zonas de subducción. La liberación de agua que tiene lugar cuando la caolinita superhidratada se descompone podría ser una parte importante del ciclo del agua que causa vulcanismo a lo largo de las zonas de subducción. Es probable que la avería se produzca por debajo de una profundidad de unos 200 kilómetros, el agua liberada podría contribuir a la formación de magma.

Adicionalmente, la caolinita superhidratada podría influir en la sismicidad. Durante la formación de la nueva fase, el agua que rodea a la caolinita se elimina del medio ambiente. Esto podría cambiar la fricción entre la subducción y las losas superpuestas. Los científicos asumen que otros minerales en el sedimento o la corteza podrían sufrir transformaciones similares. Por lo tanto, el estudio podría mejorar la comprensión de los procesos geoquímicos en las zonas de subducción de la tierra.