La fase H è un minerale idrato che è considerato un importante vettore di acqua nelle profondità della Terra. Abbiamo determinato la condizione di dissociazione della fase H mediante un calcolo teorico basato sulla meccanica quantistica. La fase H si decompone a circa 60 GPa a 1000 K. Ciò indica che il trasporto di acqua dalla fase H può terminare a una profondità di circa 1, 500 km al centro del mantello inferiore.

Si ritiene che l'esistenza dell'acqua nelle profondità della Terra svolga un ruolo importante nella geodinamica, perché l'acqua cambia drasticamente le proprietà fisiche della roccia del mantello, come la temperatura di fusione, conducibilità elettrica, e proprietà reologiche. L'acqua viene trasportata nelle profondità della Terra dai minerali idrati nelle placche fredde in subduzione. Minerali idrati, come serpentino, mica e minerali argillosi, contengono H ₂ O sotto forma di idrossile (-OH) nella struttura cristallina. La maggior parte dei minerali idrati si decompone in minerali anidri e acqua (H ₂ O) quando vengono trasportati nelle profondità della Terra, a 40-100 km di profondità, a causa delle condizioni di alta temperatura e pressione.

Però, è stato anche riportato che alcuni minerali idrati, chiamati silicati di magnesio idrati densi (DHMS), può sopravvivere nella parte più profonda dell'interno della Terra se la placca in subduzione è significativamente più fredda del mantello circostante. Il DHMS è una serie di minerali idrati che hanno un'elevata stabilità sotto la pressione dell'interno profondo della Terra. Il DHMS è indicato anche come "fasi alfabetiche":fase A, fase B, fase D, eccetera.

Fino a poco tempo la fase D (composizione chimica:MgSi ₂ oh ₆ h ₂ ) era noto per essere la fase di pressione più alta dei DHMS. Però, Tsuchiya 2013 ha condotto il calcolo dei primi principi (un metodo di calcolo teorico basato sulla meccanica quantistica) per studiare la stabilità della fase D sotto pressione e ha scoperto che questa fase si trasforma in una nuova fase con una composizione chimica di MgSiO ₄ h ₂ (più stishovite, una forma ad alta pressione di SiO ₂ , se il sistema mantiene la stessa composizione chimica) superiore a 40 GPa (GPa=109 Pa). Questa fase prevista è stata confermata sperimentalmente da Nishi et al. 2014 e denominata "fase H" (Figura 1). Il calcolo teorico di Tsuchiya 2013 suggerisce anche che la fase H si decompone infine nel minerale anidro MgSiO ₃ rilasciando H ₂ O per ulteriore compressione.

Sebbene il calcolo teorico abbia stimato la pressione di decomposizione della fase H intorno al centro del mantello inferiore (da 660 km a 2900 km di profondità), una determinazione dettagliata non è stata ancora raggiunta, perché la stima dell'energia libera di Gibbs di H ₂ O era necessario per determinare la pressione di decomposizione della fase H. L'energia libera di Gibbs è un potenziale termodinamico che può determinare la stabilità di un sistema. In condizioni di mantello inferiore, l'H ₂ La fase O ha una struttura cristallina con posizioni disordinate dell'idrogeno, cioè le posizioni dell'idrogeno sono distribuite statisticamente tra diverse posizioni. Per calcolare lo stato disordinato dell'idrogeno, Tsuchiya e Umemoto 2019 hanno calcolato diverse posizioni dell'idrogeno e stimato l'energia libera di Gibbs di H ₂ O utilizzando una tecnica basata sulla meccanica statistica.

Di conseguenza, hanno stimato la pressione di decomposizione della fase H a circa 62 GPa a 1000 K, corrispondente alla profondità di ~1500 km (Figura 2). Questo risultato indica che il trasporto dell'acqua per subduzione della piastra termina al centro del mantello inferiore nel sistema Mg-Si-O. Tsuchiya e Umemoto 2019 hanno anche suggerito che il ghiaccio superionico può essere stabilizzato dalla decomposizione della fase H nella placca subdotta. Nel ghiaccio superionico, gli atomi di ossigeno cristallizzano nei punti del reticolo mentre gli atomi di idrogeno sono liberamente mobili. Le reazioni chimiche tra il ghiaccio superionico e i minerali circostanti non sono ancora state identificate, ma l'elevata diffusività dell'idrogeno nel ghiaccio superionico può produrre reazioni più veloci di quelle del ghiaccio solido, ma diverso dall'acqua, la fase liquida di H ₂ O.