Циркуляция воды в глубоких недрах Земли

Японские учёные с помощью теоретических расчётов на основе квантовой механики определили условия диссоциации фазы H — важного переносчика воды в глубины Земли. Установлено, что этот гидратированный минерал разлагается при давлениях около 60 ГПа при температуре 1000 K, что соответствует глубине примерно 1500 км в средней части нижней мантии.

Наличие воды в глубоких недрах играет ключевую роль в геодинамике, влияя на температуру плавления, электропроводность и реологические свойства мантийных пород. Вода транспортируется вглубь в составе гидратированных минералов погружающихся литосферных плит. Большинство таких минералов (серпентин, слюды) разлагаются уже на глубинах 40–100 км. Однако, плотные гидратированные магниевые силикаты (DHMS, или «фазы-алфавиты»: фаза A, B, D), могут сохраняться значительно глубже в холодных субдуцирующих плитах.

Ранее считалось, что фаза D (MgSi₂O₆H₂) является наиболее устойчивой к высоким давлениям. Однако расчёты 2013 года предсказали, что выше 40 ГПа она трансформируется в новую фазу — фазу H (MgSiO₄H₂), что позже было подтверждено экспериментально. Теоретически предполагалось, что при дальнейшем сжатии фаза H в конце концов разложится на безводный минерал MgSiO₃ и H₂O.

Для точного определения давления разложения необходимо было рассчитать энергию Гиббса для воды в условиях нижней мантии, где её фаза имеет кристаллическую структуру со статистически разупорядоченными положениями атомов водорода. Применив метод статистической механики, исследователи оценили давление диссоциации фазы H в ~62 ГПа при 1000 K (глубина ~1500 км). Это указывает, что транспортировка воды субдуцирующей плитой в системе Mg-Si-O прекращается в средней части нижней мантии. Учёные также предполагают, что продуктом разложения фазы H может быть суперионный лёд, в котором атомы кислорода образуют кристаллическую решётку, а атомы водорода свободно перемещаются, что может влиять на скорость химических реакций в недрах.