La première observation d'une phase super-hydratée de la kaolinite minérale argileuse pourrait améliorer notre compréhension des processus qui conduisent au volcanisme et affectent les tremblements de terre. Dans les mesures aux rayons X à haute pression et à haute température qui ont été en partie réalisées à DESY, les scientifiques ont créé des conditions similaires à celles des zones dites de subduction où une plaque océanique plonge sous la croûte continentale. Le transport et la libération d'eau lors de la subduction provoquent une forte activité volcanique. Une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l'Université Yonsei en République de Corée, présente les résultats dans la revue scientifique Géosciences de la nature .

Dans une zone de subduction, une lourde plaque océanique rencontre une seconde, plaque continentale plus légère et se déplace sous elle et dans le manteau terrestre. Avec la plaque océanique, l'eau pénètre dans la terre car elle est piégée dans les minéraux de la croûte océanique ou les sédiments superposés. Ces minéraux s'enfoncent lentement dans le manteau pendant des millions d'années. Avec une profondeur croissante, température et pression, les minéraux deviennent instables, se décomposer et se transformer en de nouveaux composés.

Au cours de ces transformations, l'eau est libérée et s'élève dans l'environnement, manteau plus chaud où il diminue la température de fusion de la roche du manteau. "Quand les roches du manteau fondent, le magma est généré. Cela peut conduire à une activité volcanique lorsque le magma remonte à la surface, " explique Yongjae Lee de l'Université Yonsei qui a dirigé l'étude. " Alors que nous savons que le cycle de l'eau dans les zones de subduction influence le volcanisme et éventuellement la sismicité, nous ne savons pas grand-chose sur les processus qui forment ce cycle."

Étant donné que ces processus se déroulent à plusieurs kilomètres sous la surface de la Terre, il est impossible de les observer directement. Même le forage Kola Superdeep en Russie, le forage le plus profond de la Terre, n'atteint pas plus de 12, 262 mètres. Une façon d'en savoir plus sur les transformations dans les plus grandes profondeurs des zones de subduction est de créer des conditions similaires en laboratoire. Les mesures à haute pression et à haute température permettent aux scientifiques d'examiner de près les changements structurels des différents minéraux qui forment la croûte et les sédiments.

L'un de ces minéraux est la kaolinite, un minéral argileux contenant de l'aluminium qui est une partie importante des sédiments océaniques. Les scientifiques ont maintenant pu observer la formation d'une nouvelle phase du minéral, la kaolinite dite super-hydratée. Ils ont examiné un échantillon de kaolinite en présence d'eau à des pressions et des températures correspondant à celles à différentes profondeurs dans les zones de subduction. Avec des mesures de diffraction des rayons X et de spectres infrarouges, les changements structurels et chimiques ont été caractérisés.

À une pression d'environ 2,5 Giga-Pascal (GPa), plus de 25, 000 fois la pression moyenne au niveau de la mer, et une température de 200 degrés Celsius, la phase super-hydratée a été observée. Ces conditions sont présentes à une profondeur d'environ 75 kilomètres dans les zones de subduction. Dans la nouvelle phase, les molécules d'eau sont enfermées entre les couches du minéral. La kaolinite super-hydratée contient plus d'eau que tout autre minéral d'aluminosilicate connu dans le manteau. Lorsque la pression et la température reviennent aux conditions ambiantes, la structure reprend sa forme originelle.

Dans les mesures effectuées sur la ligne de lumière des conditions extrêmes P02.2 à la source de rayons X PETRA III de DESY, les scientifiques ont examiné la décomposition de la nouvelle phase à des pressions et des températures encore plus élevées. « Notre ligne de lumière fournit un environnement pour étudier des échantillons à des pressions et des températures extrêmes. En utilisant une cellule à enclume de diamant chauffée résistive au graphite, nous avons pu observer les changements à une pression allant jusqu'à 19 Giga-Pascal et une température allant jusqu'à 800 degrés, ", déclare Hanns-Peter Liermann, scientifique de DESY de la ligne de faisceaux des conditions extrêmes qui a co-écrit l'étude. La kaolinite super-hydratée s'est décomposée à 5 Giga-Pascal et 500 degrés, deux transformations supplémentaires se sont produites à des pressions et des températures plus élevées. Au cours de ces transformations, l'eau qui s'est intercalée dans la kaolinite est libérée.

L'observation de la formation et de la décomposition de la kaolinite super-hydratée apporte des informations importantes sur les processus qui se produisent sur une plage de profondeur d'environ 75 kilomètres à 480 kilomètres dans les zones de subduction. La libération d'eau qui a lieu lorsque la kaolinite super-hydratée se décompose pourrait être une partie importante du cycle de l'eau qui provoque le volcanisme le long des zones de subduction. La panne se produit probablement en dessous d'une profondeur d'environ 200 kilomètres, l'eau libérée pourrait alors contribuer à la formation de magma.

En outre, la kaolinite super-hydratée pourrait influencer la sismicité. Lors de la formation de la nouvelle phase, l'eau qui entoure la kaolinite est retirée de l'environnement. Cela pourrait modifier le frottement entre la sous-couche et les dalles sus-jacentes. Les scientifiques supposent que d'autres minéraux dans les sédiments ou la croûte pourraient subir des transformations similaires. Ainsi, l'étude pourrait améliorer la compréhension des processus géochimiques dans les zones de subduction de la terre.