Fase H is een waterhoudend mineraal dat wordt beschouwd als een belangrijke drager van water naar de diepe aarde. We hebben de dissociatieconditie van fase H bepaald door een theoretische berekening op basis van kwantummechanica. Fase H ontleedt bij ongeveer 60 GPa bij 1000 K. Dit geeft aan dat het transport van water door fase H op een diepte van ongeveer 1 kan worden beëindigd. 500 km in het midden van de lagere mantel.

Het bestaan ​​van water in de diepe aarde wordt beschouwd als een belangrijke rol in de geodynamica, omdat water de fysieke eigenschappen van mantelgesteente drastisch verandert, zoals smelttemperatuur, elektrische geleidbaarheid, en reologische eigenschappen. Water wordt diep in de aarde getransporteerd door de waterhoudende mineralen in de zinkende koude platen. waterhoudende mineralen, zoals serpentijn, mica en kleimineralen, bevatten H ₂ O in de vorm van hydroxyl (-OH) in de kristalstructuur. De meeste waterhoudende mineralen vallen uiteen in watervrije mineralen en water (H ₂ O) wanneer ze naar de diepe aarde worden getransporteerd, op 40-100 km diepte, vanwege de hoge temperatuur en drukomstandigheden.

Echter, er is ook gemeld dat sommige waterhoudende mineralen, zogenaamde dichte waterhoudende magnesiumsilicaten (DHMS's), kan overleven in het diepere deel van het binnenste van de aarde als de subductieplaat aanzienlijk kouder is dan de omringende mantel. DHMS is een reeks waterhoudende mineralen die een hoge stabiliteit hebben onder de druk van het diepe binnenste van de aarde. DHMS wordt ook wel "alfabetfasen" genoemd:fase A, fase B, fase D, enzovoort.

Tot voor kort fase D (chemische samenstelling:MgSi ₂ O ₆ H ₂ ) stond bekend als de fase met de hoogste druk van DHMS's. Echter, Tsuchiya 2013 voerde eerste principes berekening uit (een theoretische berekeningsmethode gebaseerd op kwantummechanica) om de stabiliteit van fase D onder druk te onderzoeken en ontdekte dat deze fase transformeert naar een nieuwe fase met een chemische samenstelling van MgSiO ₄ H ₂ (plus stishoviet, een hogedrukvorm van SiO ₂ , als het systeem dezelfde chemische samenstelling behoudt) boven 40 GPa (GPa=109 Pa). Deze voorspelde fase is experimenteel bevestigd door Nishi et al. 2014 en genoemd als "fase H" (Figuur 1). De theoretische berekening door Tsuchiya 2013 suggereert ook dat fase H uiteindelijk ontleedt in het watervrije mineraal MgSiO ₃ door H . los te laten ₂ O door verdere compressie.

Hoewel de theoretische berekening de ontledingsdruk van fase H rond het midden van de onderste mantel schatte (van 660 km tot 2900 km diepte), een gedetailleerde bepaling is nog niet bereikt, omdat de schatting van de Gibbs vrije energie van H ₂ O was nodig om de ontledingsdruk van fase H te bepalen. De Gibbs-vrije energie is een thermodynamisch potentieel dat de stabiliteit van een systeem kan bepalen. Bij lagere mantelomstandigheden, de H ₂ O-fase heeft een kristalstructuur met ongeordende waterstofposities, d.w.z. waterstofposities zijn statistisch verdeeld over verschillende posities. Om de ongeordende toestand van waterstof te berekenen, Tsuchiya en Umemoto 2019 berekenden verschillende waterstofposities en schatten de Gibbs-vrije energie van H ₂ O met behulp van een techniek gebaseerd op statistische mechanica.

Als resultaat, ze schatten de ontledingsdruk van fase H op ongeveer 62 GPa bij 1000 K, overeenkomend met de ~ 1500 km diepte (Figuur 2). Dit resultaat geeft aan dat het transport van water door een subductieplaat eindigt in het midden van de onderste mantel in het Mg-Si-O-systeem. Tsuchiya en Umemoto 2019 suggereerden ook dat superionisch ijs kan worden gestabiliseerd door de ontleding van fase H in de subductieplaat. In superionisch ijs, zuurstofatomen kristalliseren op roosterpunten, terwijl waterstofatomen vrij mobiel zijn. De chemische reacties tussen superionisch ijs en omringende mineralen zijn nog niet geïdentificeerd, maar hoge diffusiviteit van waterstof in superionisch ijs kan snellere reacties veroorzaken dan die in vast ijs, maar anders dan water, de vloeibare fase van H ₂ O.