Kristallstrukturen hos fältspatanortiten under normala förhållanden (vänster) och den nyupptäckta högtrycksvarianten (höger). Under normala förhållanden, kisel- och aluminiumatomerna bildar tetraedrar (gul och blå) med fyra syreatomer vardera (röd). Under högt tryck bildas polyedrar med fem och sex syreatomer. Kalciumatomer (grå) ligger däremellan. De svarta linjerna visar den så kallade enhetscellen, den minsta enheten i ett kristallgitter. Kredit:DESY, Anna Pakhomova
I högtrycksexperiment, forskare har upptäckt nya former av det vanliga mineralet fältspat. Vid måttliga temperaturer, dessa hittills okända varianter är stabila vid tryck från jordens övre mantel, där vanlig fältspat normalt inte kan finnas. Upptäckten kan förändra synen på kalla subduktionsplattor och tolkningen av seismologiska signaturer, som teamet kring DESY-forskaren Anna Pakhomova och Leonid Dubrovinsky från Bayerisches Geoinstitut i Bayreuth rapporterar i tidskriften Naturkommunikation .
Fältspat representerar en grupp stenbildande mineraler som är mycket rikliga på jorden och utgör ungefär 60 procent av jordskorpan. De vanligaste fältspatarna är anortit, (CaSi 2 Al 2 O 8 ), albit (NaAlSi 3 O 8 ), och mikroklin (KAlSi 3 O 8 ). Vid omgivningsförhållanden, aluminium- och kiselatomerna i kristallen är vardera bundna till fyra syreatomer, bildar AlO 4 och SiO 4 tetraedrar.
"Fältspatens beteende under ökande tryck och temperatur har undersökts intensivt tidigare, med respekt för deras öde i jordens inre, " förklarar Pakhomova. "Fältspat är kända för att vara stabila endast vid tryck på upp till 3 gigapascal längs jordens gemensamma tryck-temperaturprofil, medan de sönderfaller till tätare mineraler vid högre tryck." 3 gigapascal (GPa) motsvarar 30, 000 gånger det normala lufttrycket vid havsnivån. "Dock, under kalla förhållanden kan fältspat bestå metastabilt vid tryck högre än 3 GPa, ", tillägger Pakhomova. "Tidigare högtrycksstrukturella studier av fältspat vid rumstemperatur har visat att det tetraedriska ramverket av fältspat är bevarat upp till 10 GPa."
Forskarna utsatte vanliga fältspatar för tryck på upp till 27 GPa och analyserade deras struktur vid Extreme Conditions Beamline P02.2 av DESYs röntgenljuskälla PETRA III och vid Advanced Photon Source (APS) i Chicago. "Vid tryck över 10 GPa, vi har upptäckt nya högtryckspolymorfer av anortit, albit och mikroklin, " rapporterar Pakhomova. "Fasövergångarna induceras av allvarliga geometriska förvrängningar av AlO 4 och SiO 4 tetraedrar, vilket resulterar i att aluminium- och kiselatomerna får ytterligare angränsande atomer och även i bildandet av tätare ramverk baserade på polyedrar där en aluminium- eller kiselatom är bunden till fyra, fem eller sex syreatomer."
För att undersöka stabiliteten hos de upptäckta högtrycksvarianterna av fältspat vid höga temperaturer och deras eventuella beständighet i jordens inre, forskarna utförde en serie experiment med högt tryck och hög temperatur vid Bayerisches Geoinstitut. Det visade sig att högtrycksvarianten av anortit består vid temperaturer upp till 600 grader Celsius vid 15 GPa.
"Sådana tryck-temperaturförhållanden kan hittas på jorden i subduktionszonerna - regioner där två litosfäriska plattor kolliderar, den ena rider över den andra, " förklarar Dubrovinsky. "I sådana geologiska miljöer, Fältspat levereras till jordens inre tillsammans med annat skorpmaterial av den nedåtgående plattan. Våra resultat indikerar att i kalla subduktionszoner, om temperaturen inte stiger över 600 grader, högtrycksfaser som härrör från fältspat kan kvarstå på djup som motsvarar jordens övre mantel. Detta kan möjligen påverka dynamiken och ödet för kallsubducerande litosfäriska plattor och förändra seismologiska signaturer."
