Den första observationen av en superhydratiserad fas av lermineralet kaolinit skulle kunna förbättra vår förståelse för processer som leder till vulkanism och påverkar jordbävningar. Vid högtrycks- och högtemperaturröntgenmätningar som delvis utfördes på DESY, forskare skapade förhållanden liknande de i så kallade subduktionszoner där en oceanisk platta dyker under den kontinentala skorpan. Transport och utsläpp av vatten under subduktion orsakar stark vulkanisk aktivitet. Ett internationellt team ledd av forskare från Yonsei University i Republiken Korea, presenterar resultaten i den vetenskapliga tidskriften Naturgeovetenskap .

I en subduktionszon, en tung oceanisk platta möter en sekund, lättare kontinentalplatta och rör sig under den och in i jordens mantel. Med den oceaniska plattan, vatten kommer in i jorden när det är fångat i mineraler i havsskorpan eller överliggande sediment. Dessa mineraler sjunker långsamt djupare in i manteln under miljontals år. Med ökande djup, temperatur och tryck, mineralerna blir instabila, bryts ner och omvandlas till nya föreningar.

Under dessa omvandlingar, vatten släpps ut och stiger upp i omgivningen, varmare mantel där det sänker smälttemperaturen för mantelberget. "När mantelklipporna smälter, magma genereras. Detta kan leda till vulkanisk aktivitet när magman stiger till ytan, " förklarar Yongjae Lee från Yonsei University som ledde studien. "Medan vi vet att vattnets kretslopp i subduktionszoner påverkar vulkanism och möjligen seismicitet, vi vet inte mycket om processerna som utgör denna cykel."

Eftersom dessa processer äger rum många kilometer under jordens yta, det är omöjligt att observera dem direkt. Även Kola Superdeep Borehole i Ryssland, det djupaste borrhålet på jorden, når inte djupare än 12, 262 meter. Ett sätt att lära sig mer om transformationerna i större djup av subduktionszoner är att skapa liknande förhållanden i laboratoriet. Högtrycks- och högtemperaturmätningar gör det möjligt för forskare att ta en närmare titt på de strukturella förändringarna i de olika mineral som bildar skorpan och sedimenten.

Ett av dessa mineraler är kaolinit, ett lermineral som innehåller aluminium som är en viktig del av de oceaniska sedimenten. Forskarna kunde nu observera bildandet av en ny fas av mineralet, så kallad superhydratiserad kaolinit. De undersökte ett prov av kaolinit i närvaro av vatten vid tryck och temperaturer motsvarande de på olika djup i subduktionszoner. Med röntgendiffraktion och infraröda spektramätningar, strukturella och kemiska förändringar karakteriserades.

Vid ett tryck på cirka 2,5 Giga-Pascal (GPa), mer än 25, 000 gånger medeltrycket vid havsnivån, och en temperatur på 200 grader Celsius, den superhydratiserade fasen observerades. Dessa förhållanden finns på ett djup av cirka 75 kilometer i subduktionszoner. I den nya fasen, vattenmolekyler är inneslutna mellan lagren av mineralet. Den superhydratiserade kaoliniten innehåller mer vatten än något annat känt aluminiumsilikatmineral i manteln. När tryck och temperatur sjunker tillbaka till omgivningsförhållandena, strukturen återgår till sin ursprungliga form.

I mätningar utförda vid Extreme Conditions Beamline P02.2 vid DESYs röntgenkälla PETRA III, forskarna undersökte nedbrytningen av den nya fasen vid ännu högre tryck och temperaturer. "Vår strållinje ger en miljö för att undersöka prover vid extrema tryck och temperaturer. Med hjälp av en så kallad grafitresistiv uppvärmd diamantstädcell, vi kunde observera förändringarna vid ett tryck på upp till 19 Giga-Pascal och en temperatur på upp till 800 grader, " säger DESY-forskaren Hanns-Peter Liermann från Extreme Conditions Beamline som var medförfattare till studien. Den superhydratiserade kaoliniten bröts ner vid 5 Giga-Pascal och 500 grader, ytterligare två omvandlingar skedde vid högre tryck och temperaturer. Under dessa omvandlingar, vattnet som inlagts i kaoliniten frigörs.

Observationen av bildningen och nedbrytningen av den superhydratiserade kaoliniten ger viktig information om de processer som sker över ett djupområde på cirka 75 kilometer till 480 kilometer i subduktionszoner. Utsläppet av vatten som sker när den superhydratiserade kaoliniten bryts ner kan vara en viktig del av vattnets kretslopp som orsakar vulkanism längs subduktionszoner. Sammanbrottet sker troligen under ett djup av cirka 200 kilometer, det frigjorda vattnet skulle då kunna bidra till bildandet av magma.

Dessutom, den superhydratiserade kaoliniten kan påverka seismiciteten. Under bildandet av den nya fasen, vattnet som omger kaolinit avlägsnas från miljön. Detta skulle kunna förändra friktionen mellan den subducerande och de överliggande plattorna. Forskarna antar att andra mineraler i sedimentet eller skorpan kan genomgå liknande omvandlingar. Således, studien skulle kunna förbättra förståelsen av de geokemiska processerna i jordens subduktionszoner.