El agua es transportada al interior profundo de la Tierra por densos silicatos de magnesio hidratados (DHMS). Crédito:Universidad de Ehime
La fase H es un mineral hidratado que se considera un importante portador de agua en las profundidades de la Tierra. Determinamos la condición de disociación de la fase H mediante un cálculo teórico basado en la mecánica cuántica. La fase H se descompone a aproximadamente 60 GPa a 1000 K. Esto indica que el transporte de agua por la fase H puede terminar a una profundidad de aproximadamente 1, 500 km en medio del manto inferior.
Se considera que la existencia de agua en las profundidades de la Tierra juega un papel importante en la geodinámica, porque el agua cambia drásticamente las propiedades físicas de la roca del manto, como la temperatura de fusión, conductividad eléctrica, y propiedades reológicas. El agua es transportada a las profundidades de la Tierra por los minerales hidratados en las placas frías en subducción. Minerales hidratados, como serpentina, minerales de mica y arcilla, contener H 2 O en forma de hidroxilo (-OH) en la estructura cristalina. La mayoría de los minerales hidratados se descomponen en minerales anhidros y agua (H 2 O) cuando son transportados a las profundidades de la Tierra, a 40-100 km de profundidad, debido a las condiciones de alta temperatura y presión.
Sin embargo, También se ha informado que algunos minerales hidratados, llamados silicatos de magnesio hidratados densos (DHMS), puede sobrevivir en la parte más profunda del interior de la Tierra si la placa subductora es significativamente más fría que el manto circundante. DHMS es una serie de minerales hidratados que tienen una alta estabilidad bajo la presión del interior profundo de la Tierra. DHMS también se conoce como "fases alfabéticas":fase A, fase B, fase D, etc.
Hasta hace poco la fase D (composición química:MgSi 2 O 6 H 2 ) era conocida por ser la fase de mayor presión de los DHMS. Sin embargo, Tsuchiya 2013 realizó el cálculo de los primeros principios (un método de cálculo teórico basado en la mecánica cuántica) para investigar la estabilidad de la fase D bajo presión y descubrió que esta fase se transforma en una nueva fase con una composición química de MgSiO. 4 H 2 (más stishovite, una forma de alta presión de SiO 2 , si el sistema mantiene la misma composición química) por encima de 40 GPa (GPa =109 Pa). Esta fase prevista ha sido confirmada experimentalmente por Nishi et al. 2014 y denominada "fase H" (Figura 1). El cálculo teórico de Tsuchiya 2013 también sugiere que la fase H finalmente se descompone en el mineral anhidro MgSiO 3 liberando H 2 O por mayor compresión.
La línea roja gruesa indica el límite de fase de disociación calculado de la fase H. Universidad Ehime
Aunque el cálculo teórico estimó la presión de descomposición de la fase H alrededor de la mitad del manto inferior (de 660 km a 2900 km de profundidad), aún no se ha logrado una determinación detallada, porque la estimación de la energía libre de Gibbs de H 2 Se necesitaba O para determinar la presión de descomposición de la fase H. La energía libre de Gibbs es un potencial termodinámico que puede determinar la estabilidad de un sistema. En condiciones de manto inferior, El h 2 La fase O tiene una estructura cristalina con posiciones de hidrógeno desordenadas, es decir, las posiciones de hidrógeno se distribuyen estadísticamente entre varias posiciones diferentes. Para calcular el estado desordenado del hidrógeno, Tsuchiya y Umemoto 2019 calcularon varias posiciones de hidrógeno diferentes y estimaron la energía libre de Gibbs de H 2 O utilizando una técnica basada en la mecánica estadística.
Como resultado, estimaron la presión de descomposición de la fase H en alrededor de 62 GPa a 1000 K, correspondiente a ~ 1500 km de profundidad (Figura 2). Este resultado indica que el transporte de agua por placa de subducción termina en el medio del manto inferior en el sistema Mg-Si-O. Tsuchiya y Umemoto 2019 también sugirieron que el hielo superiónico puede estabilizarse mediante la descomposición de la fase H en la placa subducida. En hielo superiónico los átomos de oxígeno se cristalizan en los puntos de la red, mientras que los átomos de hidrógeno se mueven libremente. Las reacciones químicas entre el hielo superiónico y los minerales circundantes aún no se han identificado, pero la alta difusividad del hidrógeno en el hielo superiónico puede producir reacciones más rápidas que en el hielo sólido, pero diferente al agua, la fase líquida de H 2 O.
