De eerste waarneming van een supergehydrateerde fase van het kleimineraal kaoliniet zou ons begrip kunnen verbeteren van processen die tot vulkanisme leiden en aardbevingen beïnvloeden. Bij hogedruk- en hogetemperatuurröntgenmetingen die deels bij DESY zijn uitgevoerd, wetenschappers creëerden omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in zogenaamde subductiezones waar een oceanische plaat onder de continentale korst duikt. Het transport en het vrijkomen van water tijdens subductie veroorzaakt sterke vulkanische activiteit. Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van de Yonsei University in de Republiek Korea, presenteert de resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Geowetenschappen .

In een subductiezone, een zware oceanische plaat ontmoet een tweede, lichtere continentale plaat en beweegt eronder en in de aardmantel. Met de oceanische plaat, water komt de aarde binnen omdat het vastzit in mineralen van de oceanische korst of overliggende sedimenten. Deze mineralen zinken in de loop van miljoenen jaren langzaam dieper in de mantel. Met toenemende diepte, temperatuur en druk, de mineralen worden instabiel, afgebroken en omgezet in nieuwe verbindingen.

Tijdens deze transformaties water komt vrij en stijgt op in de omgeving, heter mantel waar het de smelttemperatuur van het mantelgesteente verlaagt. "Als de mantelrotsen smelten, magma wordt gegenereerd. Dit kan leiden tot vulkanische activiteit wanneer het magma naar de oppervlakte stijgt, ", legt Yongjae Lee van Yonsei University uit, die de studie leidde. "Hoewel we weten dat de waterkringloop in subductiezones vulkanisme en mogelijk seismiciteit beïnvloedt, we weten niet veel over de processen die deze cyclus vormen."

Aangezien deze processen vele kilometers onder het aardoppervlak plaatsvinden, het is onmogelijk om ze direct te observeren. Zelfs het Kola Superdeep Boorgat in Rusland, het diepste boorgat op aarde, reikt niet dieper dan 12, 262 meter. Een manier om meer te weten te komen over de transformaties in grotere diepten van subductiezones, is door vergelijkbare omstandigheden in het laboratorium te creëren. Metingen onder hoge druk en bij hoge temperaturen stellen wetenschappers in staat om de structurele veranderingen in de verschillende mineralen die de korst en sedimenten vormen van dichtbij te bekijken.

Een van deze mineralen is kaoliniet, een kleimineraal dat aluminium bevat en een belangrijk onderdeel is van de oceanische sedimenten. De wetenschappers konden nu de vorming van een nieuwe fase van het mineraal waarnemen, zogenaamde supergehydrateerde kaoliniet. Ze onderzochten een monster kaoliniet in aanwezigheid van water bij drukken en temperaturen die overeenkomen met die op verschillende diepten in subductiezones. Met röntgendiffractie en infrarood spectra metingen, structurele en chemische veranderingen werden gekarakteriseerd.

Bij een druk van circa 2,5 Giga-Pascal (GPa), meer dan 25, 000 keer de gemiddelde druk op zeeniveau, en een temperatuur van 200 graden Celsius, de supergehydrateerde fase werd waargenomen. Deze omstandigheden zijn aanwezig op een diepte van ongeveer 75 kilometer in subductiezones. In de nieuwe fase watermoleculen zijn ingesloten tussen de lagen van het mineraal. Het supergehydrateerde kaoliniet bevat meer water dan enig ander bekend aluminosilicaatmineraal in de mantel. Wanneer druk en temperatuur terugzakken naar de omgevingscondities, de structuur keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

In metingen uitgevoerd aan de Extreme Omstandigheden Beamline P02.2 bij DESYs röntgenbron PETRA III, de wetenschappers onderzochten de afbraak van de nieuwe fase bij nog hogere drukken en temperaturen. "Onze bundellijn biedt een omgeving om monsters te onderzoeken bij extreme drukken en temperaturen. Met behulp van een zogenaamde grafiet resistieve verwarmde diamanten aambeeldcel, we konden de veranderingen waarnemen bij een druk tot 19 Giga-Pascal en een temperatuur tot 800 graden, " zegt DESY-wetenschapper Hanns-Peter Liermann van de Extreme Conditions Beamline die co-auteur was van de studie. De supergehydrateerde kaoliniet brak af bij 5 Giga-Pascal en 500 graden, twee extra transformaties gebeurden bij hogere drukken en temperaturen. Tijdens deze transformaties het water dat in het kaoliniet was geïntercaleerd, komt vrij.

De waarneming van de vorming en afbraak van het supergehydrateerde kaoliniet levert belangrijke informatie op over de processen die plaatsvinden over een dieptebereik van ongeveer 75 kilometer tot 480 kilometer in subductiezones. Het vrijkomen van water dat plaatsvindt wanneer het supergehydrateerde kaoliniet afbreekt, kan een belangrijk onderdeel zijn van de watercyclus die vulkanisme langs subductiezones veroorzaakt. De storing vindt waarschijnlijk plaats onder een diepte van ongeveer 200 kilometer, het vrijgekomen water zou dan kunnen bijdragen aan de vorming van magma.

Aanvullend, het supergehydrateerde kaoliniet zou de seismische activiteit kunnen beïnvloeden. Tijdens de vorming van de nieuwe fase, het water dat kaoliniet omringt, wordt uit de omgeving verwijderd. Dit zou de wrijving tussen de subducterende en de bovenliggende platen kunnen veranderen. De wetenschappers gaan ervan uit dat andere mineralen in het sediment of de korst soortgelijke transformaties kunnen ondergaan. Dus, de studie zou het begrip van de geochemische processen in subductiezones van de aarde kunnen verbeteren.