Forskare vid Ehime University har nyligen mätt utbredningshastigheten för ultraljudsvågor i ett aluminiumrikt vattenhaltigt mineral som kallas Al-fas D vid tryckförhållanden som är relevanta för jordens djupa mantel. Deras resultat tyder på att seismiska skjuvavvikelser som observerats lokalt under subduktionszoner kan avslöja närvaron av vattenhaltiga mineraler i den översta nedre manteln, vilket skulle få viktiga konsekvenser för jordens inre eftersom väte påverkar avsevärt de fysiska och kemiska egenskaperna hos mantelmineraler.

Sedan upptäckten av ett vattenförande ringwooditexemplar fångat i en superdjup diamant från Brasilien av Pearson et al. 2014 (publicerad i Natur ), det finns ett återvunnet intresse för att hitta och karakterisera potentiella bärare och värdmineraler av vatten i det djupa jordens inre. Bland kandidatmineralerna, Täta vattenhaltiga magnesiumsilikater (DHMS) anses vara primära vattenbärare från den grunda litosfären till den djupa mantelövergångszonen (MTZ; 410–660 km på djupet), men på grund av deras relativa instabilitet mot tryck (P) och temperatur (T), DHMS var i allmänhet associerade med närvaron av vatten upp till mitten av MTZ.

En experimentell studie publicerades också 2014 i tidskriften Naturgeovetenskap visade dock att när aluminium innehåller DHMS, deras stabilitet mot P och T är drastiskt förbättrad, tillåter dessa mineraler att transportera och ta emot vatten upp till 1200 km djup i den nedre manteln (Pamato et al., 2014). Deras experiment visade verkligen att det aluminiumbärande DHMS-mineralet som kallas Al-fas D sannolikt kommer att bildas vid de översta nedre manteln P- och T-förhållanden, från omkristallisationen av vattenhaltig smälta vid gränsen för manteln och den subducerade plattan. Även om denna reaktion motiverades av laboratorieexperiment, det fanns inga direkta mätningar av ljudhastigheterna för Al-fas D och därför var det svårt att associera närvaron av Al-rika hydratiserade bergarter till de seismiska observationerna i botten av MTZ och i den översta nedre manteln.

Forskarna vid Ehime mätte framgångsrikt den longitudinella (V _P ) och skjuvning (V _S ) hastigheter, såväl som densiteten av Al-fas D, upp till 22 GPa och 1300 K med hjälp av synkrotronröntgentekniker kombinerat med ultraljudsmätningar in situ vid höga P och och T, i multi-städapparaten placerad vid strållinjen BL04B1 i SPring-8 (Hyogo, Japan). Resultaten av deras experiment gav en tydlig förståelse av ljudhastigheterna för Al-fas D under ett brett P- och T-område, som möjliggör modellering av de seismiska hastigheterna för vattenhaltiga bergarter i de inre och yttre delarna av den subducerade plattan (bild 1). Från dessa modeller visade de att närvaron av ett Al-rikt vattenhaltigt lager inklusive Al-fas D, i den översta nedre manteln, skulle förknippas med negativt V _S störningar (-1,5%) medan motsvarande V _P variationer (-0,5 %) skulle förbli under detektionsgränsen för seismologiska tekniker. Dessa nya data bör i hög grad bidra till att spåra förekomsten och återvinningen av den tidigare subducerade litosfäriska skorpan och så småningom närvaron av vatten i jordens nedre mantel.