Алюмосодержащий кремнезем: основной переносчик воды в нижней мантии

Международная исследовательская группа под руководством доктора Такаюки Исии и доктора Хо-Кван Мао обнаружила, что алюмосодержащие кремнеземы играют ключевую роль в транспортировке воды в нижней мантии Земли. Ученые определили содержание оксида алюминия и воды в минералах кремнезема, важных компонентах базальтовой коры в верхней части погружающейся тектонической плиты. Результаты показывают, что широко распространенный в верхней части нижней мантии рутилоподобный кремнезем (стишовит) претерпевает фазовый переход в фазу типа CaCl₂ при наличии воды и глинозема. Эта фаза может удерживать более чем в 10 раз больше воды, чем другие минералы нижней мантии, даже при очень высоких температурах. Исследование опубликовано 24 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Это открытие важно для понимания глобального цикла воды в недрах Земли. Считается, что количество воды, которое может храниться в недрах планеты, в несколько раз превышает объем поверхностного океана. Вода транспортируется вглубь океаническими плитами, а минералы, такие как алюмосодержащий кремнезем, эффективно удерживают ее в своей кристаллической структуре. Ранее было показано, что основные минералы нижней мантии в перидотитах удерживают очень мало воды, поэтому вероятным резервуаром являются именно минералы базальтовой коры.

В ходе экспериментов при высоких температурах и давлениях, соответствующих условиям верхов нижней мантии, были синтезированы высококачественные монокристаллы алюмосодержащего кремнезема. Инфракрасная спектроскопия показала, что при температуре выше 1700°C (средней температуры мантии) стишовит с содержанием глинозема переходит в фазу типа CaCl₂, которая содержит более 1 мас.% воды. Ключевое отличие этого минерала в том, что его способность удерживать воду растет с температурой, в то время как у других мантийных минералов она падает. Это означает, что алюмосодержащий кремнезем может транспортировать воду даже в самых горячих плюмах нижней мантии, а также захватывать воду, высвобождаемую другими минералами. Обратный фазовый переход и высвобождение воды, вероятно, происходят при подъеме материала в переходную зону и верхнюю мантию, что может объяснять ряд сейсмических аномалий.