Wetenschappers schatten dat de aardmantel evenveel water bevat als alle oceanen op de planeet, maar begrijpen hoe dit water zich gedraagt, is moeilijk. Water in de mantel bestaat onder hoge druk en bij verhoogde temperaturen, extreme omstandigheden die een uitdaging zijn om in het laboratorium na te bootsen.

Dat betekent dat veel van zijn fysische en chemische eigenschappen - die relevant zijn voor het begrijpen van de magmaproductie en de koolstofcyclus van de aarde - niet volledig worden begrepen. Als wetenschappers deze omstandigheden beter zouden kunnen begrijpen, het zou hen helpen de gevolgen van de koolstofcyclus voor klimaatverandering beter te begrijpen.

Een team onder leiding van Prof. Giulia Galli en Prof. Juan de Pablo van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago en Prof. Francois Gygi van de Universiteit van Californië, Davis heeft complexe computersimulaties gemaakt om de eigenschappen van zout in water onder mantelomstandigheden beter te begrijpen.

Door simulatietechnieken ontwikkeld door de drie onderzoeksgroepen te koppelen en geavanceerde codes te gebruiken, het team heeft een model van zout water gemaakt op basis van kwantummechanische berekeningen. Met behulp van het model, de onderzoekers ontdekten belangrijke moleculaire veranderingen ten opzichte van de omgevingsomstandigheden die implicaties zouden kunnen hebben voor het begrijpen van de interessante chemie die diep onder het aardoppervlak ligt.

"Onze simulaties vertegenwoordigen de eerste studie van de vrije energie van zouten in water onder druk, Galli zei. "Dat legt de basis om de invloed van zout in water bij hoge druk en temperatuur te begrijpen, zoals de omstandigheden van de aardmantel." De resultaten werden op 16 juni gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Belangrijk bij interacties tussen vloeistof en gesteente

Het gedrag van water in de mantel begrijpen is een uitdaging - niet alleen omdat het moeilijk is om de eigenschappen ervan experimenteel te meten, maar omdat de chemie van water en zout water verschilt bij zulke extreme temperaturen en drukken (waaronder temperaturen tot 1000 K en drukken tot 11 GPa, 100, 000 keer groter dan op het aardoppervlak.)

Terwijl Galli eerder onderzoek publiceerde naar het gedrag van water in dergelijke omstandigheden, zij en haar medewerkers van het Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) hebben hun simulaties nu uitgebreid naar zout in water, erin slagen om veel complexere eigenschappen te voorspellen dan eerder onderzocht.

De simulaties, uitgevoerd bij UChicago's Research Computing Center met behulp van geoptimaliseerde codes ondersteund door MICCoM, toonde belangrijke veranderingen van ion-water- en ion-ion-interacties onder extreme omstandigheden. Deze ioneninteracties beïnvloeden het vrije-energieoppervlak van zout in water.

specifiek, onderzoekers ontdekten dat dissociatie van water die optreedt als gevolg van hoge druk en temperatuur, van invloed is op hoe het zout interageert met water en op zijn beurt hoe het naar verwachting zal interageren met oppervlakken van rotsen aan het aardoppervlak.

"Dit is fundamenteel voor het begrijpen van chemische reacties onder de omstandigheden van de aardmantel, ' zei de Pablo.

"Vervolgens hopen we dezelfde simulatietechnieken te gebruiken voor een verscheidenheid aan oplossingen, voorwaarden, en andere zouten, ' zei Gygi.