Транспортировка воды в глубины Земли с помощью Al-фазы D

Исследователи из Университета Эхимэ измерили скорость распространения ультразвуковых волн в богатом алюминием водосодержащем минерале Al-фаза D при давлениях, соответствующих условиям глубокой мантии Земли. Результаты показывают, что локальные аномалии сейсмических поперечных волн, наблюдаемые в зонах субдукции, могут указывать на присутствие водосодержащих минералов в самой верхней части нижней мантии. Это имеет важные последствия для понимания недр планеты, поскольку водород значительно влияет на физические и химические свойства мантийных минералов.

Среди кандидатов на роль переносчиков воды в глубины Земли — плотные водосодержащие магниевые силикаты (DHMS). Однако из-за их относительной нестабильности при высоких давлениях и температурах считалось, что они могут транспортировать воду лишь до средней части переходной зоны мантии (410–660 км). Исследование 2014 года в журнале Nature Geoscience показало, что включение алюминия в структуру DHMS (образование Al-фазы D) резко повышает их стабильность, позволяя переносить воду на глубины до 1200 км в нижней мантии. До сих пор отсутствовали прямые измерения скоростей звука в Al-фазе D, что затрудняло сопоставление с сейсмическими данными.

Учёные измерили продольную (V_P) и поперечную (V_S) скорости, а также плотность Al-фазы D при давлениях до 22 ГПа и температурах до 1300 К, используя синхротронные рентгеновские методы и ультразвуковые измерения in situ в аппарате с многонаковальнями на линии BL04B1 в SPring-8 (Хёго, Япония). Моделирование на основе новых данных показало, что присутствие богатого алюминием водосодержащего слоя с Al-фазой D в верхней части нижней мантии будет связано с отрицательными аномалиями V_S (-1,5%), в то время как соответствующие вариации V_P (-0,5%) останутся ниже предела обнаружения сейсмологическими методами. Эти данные помогут в отслеживании существования и рециклинга погруженной литосферной коры, а также наличия воды в нижней мантии Земли.