La prima osservazione di una fase superidratata del minerale argilloso caolinite potrebbe migliorare la nostra comprensione dei processi che portano al vulcanismo e influenzano i terremoti. Nelle misurazioni a raggi X ad alta pressione e ad alta temperatura che sono state in parte condotte presso DESY, gli scienziati hanno creato condizioni simili a quelle nelle cosiddette zone di subduzione in cui una placca oceanica si tuffa sotto la crosta continentale. Il trasporto e il rilascio di acqua durante la subduzione provoca una forte attività vulcanica. Un team internazionale guidato da scienziati della Yonsei University nella Repubblica di Corea, presenta i risultati sulla rivista scientifica Geoscienze naturali .

In una zona di subduzione, una pesante placca oceanica incontra un secondo, placca continentale più leggera e si muove sotto di essa e nel mantello terrestre. Con la placca oceanica, l'acqua entra nella terra poiché è intrappolata nei minerali della crosta oceanica o nei sedimenti sovrapposti. Questi minerali affondano lentamente più in profondità nel mantello per milioni di anni. Con l'aumentare della profondità, temperatura e pressione, i minerali diventano instabili, si scompongono e si trasformano in nuovi composti.

Durante queste trasformazioni, l'acqua viene rilasciata e risale nell'ambiente circostante, mantello più caldo dove diminuisce la temperatura di fusione della roccia del mantello. "Quando le rocce del mantello si sciolgono, si genera il magma. Questo può portare ad attività vulcanica quando il magma sale in superficie, " spiega Yongjae Lee della Yonsei University che ha guidato lo studio. "Mentre sappiamo che il ciclo dell'acqua nelle zone di subduzione influenza il vulcanismo e forse la sismicità, non sappiamo molto sui processi che formano questo ciclo".

Poiché questi processi avvengono a molti chilometri sotto la superficie terrestre, è impossibile osservarli direttamente. Anche il pozzo Kola Superdeep in Russia, il pozzo più profondo della Terra, raggiunge non più profondo di 12, 262 metri. Un modo per saperne di più sulle trasformazioni a maggiori profondità delle zone di subduzione è creare condizioni simili in laboratorio. Le misurazioni ad alta pressione e ad alta temperatura consentono agli scienziati di osservare da vicino i cambiamenti strutturali nei diversi minerali che formano la crosta e i sedimenti.

Uno di questi minerali è la caolinite, un minerale argilloso contenente alluminio che è una parte importante dei sedimenti oceanici. Gli scienziati sono stati ora in grado di osservare la formazione di una nuova fase del minerale, cosiddetta caolinite superidratata. Hanno esaminato un campione di caolinite in presenza di acqua a pressioni e temperature corrispondenti a quelle a diverse profondità nelle zone di subduzione. Con la diffrazione dei raggi X e le misurazioni degli spettri infrarossi, sono stati caratterizzati cambiamenti strutturali e chimici.

Ad una pressione di circa 2,5 Giga-Pascal (GPa), più di 25, 000 volte la pressione media al livello del mare, e una temperatura di 200 gradi Celsius, è stata osservata la fase superidratata. Queste condizioni sono presenti a una profondità di circa 75 chilometri nelle zone di subduzione. Nella nuova fase, le molecole d'acqua sono racchiuse tra gli strati del minerale. La caolinite superidratata contiene più acqua di qualsiasi altro minerale alluminosilicato conosciuto nel mantello. Quando la pressione e la temperatura tornano alle condizioni ambientali, la struttura ritorna alla sua forma originale.

Nelle misurazioni effettuate presso la Extreme Condition Beamline P02.2 presso la sorgente di raggi X DESYs PETRA III, gli scienziati hanno esaminato la rottura della nuova fase a pressioni e temperature ancora più elevate. "La nostra linea di luce fornisce un ambiente per studiare i campioni a pressioni e temperature estreme. Utilizzando una cosiddetta cella a incudine di diamante riscaldata resistiva alla grafite, siamo stati in grado di osservare i cambiamenti a una pressione fino a 19 Giga-Pascal e una temperatura fino a 800 gradi, ", afferma lo scienziato del DESY Hanns-Peter Liermann della Extreme Condition Beamline, coautore dello studio. La caolinite superidratata si è rotta a 5 Giga-Pascal e 500 gradi, due ulteriori trasformazioni sono avvenute a pressioni e temperature più elevate. Durante queste trasformazioni, l'acqua che era intercalata nella caolinite viene rilasciata.

L'osservazione della formazione e della scomposizione della caolinite superidratata fornisce importanti informazioni sui processi che si verificano in un intervallo di profondità compreso tra circa 75 chilometri e 480 chilometri nelle zone di subduzione. Il rilascio di acqua che si verifica quando la caolinite superidratata si rompe potrebbe essere una parte importante del ciclo dell'acqua che causa vulcanismo lungo le zone di subduzione. Il crollo avviene probabilmente al di sotto di una profondità di circa 200 chilometri, l'acqua rilasciata potrebbe quindi contribuire alla formazione del magma.

Inoltre, la caolinite superidratata potrebbe influenzare la sismicità. Durante la formazione della nuova fase, l'acqua che circonda la caolinite viene rimossa dall'ambiente. Ciò potrebbe modificare l'attrito tra la subduzione e le lastre sovrastanti. Gli scienziati ipotizzano che altri minerali nel sedimento o nella crosta potrebbero subire trasformazioni simili. Così, lo studio potrebbe migliorare la comprensione dei processi geochimici nelle zone di subduzione della terra.