Звичайна глина океанічної кори, відома як тальк, показала новий спосіб перенесення води глибоко під землю. У ретельно контрольованих лабораторних експериментах тальк перетворювався на надзволожений кристал, який утримує близько 31% води за масою.
Ця фаза виникає на глибині приблизно від 56 до 59 миль і зберігається до близько 78 миль у холодних зонах субдукції. Дослідження виконала команда вчених з Південної Кореї, Німеччини та США. У солоній, слабкобазовій воді тальк поглинає додаткову воду та збільшується в об’ємі приблизно на 60%, показує нове дослідження. Ця нова структура затримує воду між шарами кристала, підвищуючи його загальний вміст води до приблизно 31%.
Дослідження очолила доктор Юнах Банг (Yoonah Bang) з Університету Ёнсеї. Її робота зосереджена на високонапірних мінеральних реакціях, які переносять воду в надра Землі.
Вода, тальк і ангстреми
Ангстрем, що дорівнює одній десятимільярдній метра, використовується для вимірювання відстаней на атомному рівні всередині кристалів. Коли вчені говорять про «ангстремну фазу», вони мають на увазі стадію мінералу, визначену відстанню між його атомними шарами.
Більше число ангстремів означає, що шари розташовані далі один від одного, часто через проникнення води чи інших молекул у проміжки. Фаза 15 ангстремів зберігалася від приблизно 56 до 78 миль, а потім переходила у відому фазу 10 ангстремів на глибині близько 103 миль. Після цього фаза 10 ангстремів залишалася стабільною до приблизно 112 миль.
«Наша робота демонструє перетворення мінералів у більш реалістичних умовах субдукції, що потребує переоцінки геохімії та сейсмічності, пов’язаних із субдукцією, а також транспортування води у глибокі надра Землі», — сказала Банг.
Як глина стає губкою
Міжшарова зона — тонкий простір між листами — заповнюється молекулами води, які зв’язуються з гідроксильними групами кристала. Команда виявила один шар води на 10 ангстремів і три шари на 15 ангстремів.
Попередні високонапірні експерименти показували, що тальк і вода утворюють фазу 10 ангстремів при тиску 5–7 гігапаскалів та температурі 450–650°C. У новому дослідженні вчені випробували лужні, слабкобазові, солоні розчини, що нагадують воду у субдукційних плитах біля жолобів. За таких умов тальк переходив у фазу 15 ангстремів при значно нижчому тиску та температурі.
Де і коли виникає фаза
Команда помістила порошковий тальк у алмазну ковадлу — пристрій для стискання невеликих зразків до екстремального тиску. Потім вони відстежували зміни кристалів за допомогою синхротрону, джерела рентгенівського випромінювання високої інтенсивності.
Рентген показав, що розширена кристалічна структура з’являється глибоко під землею, під тиском, що відповідає приблизно 60 милям під поверхнею Землі, при температурі близько 662°F (350°C). Цей тиск відповідає умовам гірських порід на глибині близько 56 миль у холодній плиті, за даними глобальних теплових моделей.
У чистій воді або лише у солі тальк пропускав фазу 15 ангстремів і безпосередньо переходив у фазу 10 ангстремів. Це вказує, що поєднання солі та слабкої лужності спричиняє додаткове поглинання води.
Зміни глибокого водного балансу
Фаза 15 ангстремів утримує значно більше води, ніж звичайний тальк, приблизно в 8 разів більше води, пов’язаної зі структурою. Коли пізніше вона стискається до 10 ангстремів на глибині близько 103 миль, близько двох третин води виділяється в навколишні породи.
Це додаткове зберігання дозволяє більшій частині поверхневої води проникати всередину гідратованих мінералів. Також це означає, що новий потік води може виділятися глибше, ніж очікувалося. Вода на глибині знижує температуру плавлення порід і послаблює розломи, що впливає на постачання магми та характер землетрусів.
Уроки від тальку та води Землі
Вода, що виділяється з опускаючої плити, допомагає утворювати магму для вулканічних дуг, зазначає USGS. Глибше виділення через стискання тальку може змінити місце початку плавлення.
У прикладі холодної плити команда виявила типовий джерельний рівень на глибині близько 97 миль, що відповідає лабораторним межам для фази 10 ангстремів. Це співпадіння натякає, що перехід 15 ангстремів → 10 ангстремів може визначати розташування дуг.
Кількість землетрусів у цьому регіоні зменшувалася між приблизно 47 і 78 милями, а потім зростала між 93 і 124 милями. Ці ділянки збігаються з ростом фази 15 ангстремів та її наступним дегідратаційним процесом. Польові геологи можуть шукати стародавні високонапірні породи з проміжками 15 ангстремів та їх властивостями набрякання, подібними до смектиту. Геофізики можуть відстежувати провідність або сейсмічні сигнали додаткової води на цих глибинах.
Майбутні моделі повинні враховувати хімію рідин, а не лише тиск і температуру. За наявності відповідних рідин тальк може грати більшу роль у глибокому водному циклі Землі, ніж раніше вважалося. Дослідження опубліковане у журналі Nature Communications.