La phase H est un minéral hydraté qui est considéré comme un important transporteur d'eau dans les profondeurs de la Terre. Nous avons déterminé la condition de dissociation de la phase H par un calcul théorique basé sur la mécanique quantique. La phase H se décompose à environ 60 GPa à 1000 K. Cela indique que le transport de l'eau par la phase H peut être terminé à une profondeur d'environ 1, 500 km au milieu du manteau inférieur.

L'existence d'eau dans les profondeurs de la Terre est considérée comme jouant un rôle important en géodynamique, parce que l'eau modifie radicalement les propriétés physiques de la roche du manteau, comme la température de fusion, conductivité électrique, et propriétés rhéologiques. L'eau est transportée dans les profondeurs de la Terre par les minéraux hydratés des plaques froides subductrices. Minéraux hydratés, comme la serpentine, mica et minéraux argileux, contenir H 2 O sous forme d'hydroxyle (-OH) dans la structure cristalline. La plupart des minéraux hydratés se décomposent en minéraux anhydres et en eau (H 2 O) lorsqu'ils sont transportés dans les profondeurs de la Terre, à 40-100 km de profondeur, en raison des conditions de température et de pression élevées.

Cependant, il a également été rapporté que certains minéraux hydratés, appelés silicates de magnésium hydratés denses (DHMS), peut survivre dans la partie la plus profonde de l'intérieur de la Terre si la plaque de subduction est nettement plus froide que le manteau environnant. Le DHMS est une série de minéraux hydratés qui ont une grande stabilité sous la pression de l'intérieur profond de la Terre. Le DHMS est aussi appelé « phases alphabétiques » :phase A, phase B, phase D, etc.

Jusqu'à récemment la phase D (composition chimique :MgSi 2 O 6 H 2 ) était connue pour être la phase de pression la plus élevée des DHMS. Cependant, Tsuchiya 2013 a effectué le premier calcul des principes (une méthode de calcul théorique basée sur la mécanique quantique) pour étudier la stabilité de la phase D sous pression et a constaté que cette phase se transforme en une nouvelle phase avec une composition chimique de MgSiO 4 H 2 (plus stishovite, une forme haute pression de SiO 2 , si le système garde la même composition chimique) au-dessus de 40 GPa (GPa=109 Pa). Cette phase prédite a été confirmée expérimentalement par Nishi et al. 2014 et nommé "phase H" (Figure 1). Le calcul théorique de Tsuchiya 2013 suggère également que la phase H se décompose finalement en le minéral anhydre MgSiO 3 en relâchant H 2 O par une compression supplémentaire.

Bien que le calcul théorique ait estimé la pression de décomposition de la phase H vers le milieu du manteau inférieur (de 660 km à 2900 km de profondeur), une détermination détaillée n'a pas encore été obtenue, car l'estimation de l'énergie libre de Gibbs de H 2 O était nécessaire pour déterminer la pression de décomposition de la phase H. L'énergie libre de Gibbs est un potentiel thermodynamique qui peut déterminer la stabilité d'un système. Dans les conditions du manteau inférieur, le H 2 La phase O a une structure cristalline avec des positions d'hydrogène désordonnées, c'est-à-dire que les positions d'hydrogène sont réparties statistiquement entre plusieurs positions différentes. Pour calculer l'état désordonné de l'hydrogène, Tsuchiya et Umemoto 2019 ont calculé plusieurs positions d'hydrogène différentes et estimé l'énergie libre de Gibbs de H 2 O en utilisant une technique basée sur la mécanique statistique.

Par conséquent, ils ont estimé la pression de décomposition de la phase H à environ 62 GPa à 1000 K, correspondant à la profondeur d'environ 1500 km (Figure 2). Ce résultat indique que le transport de l'eau par plaque de subduction se termine au milieu du manteau inférieur dans le système Mg-Si-O. Tsuchiya et Umemoto 2019 ont également suggéré que la glace superionique peut être stabilisée par la décomposition de la phase H dans la plaque subductée. Dans la glace superionique, les atomes d'oxygène cristallisent aux points du réseau tandis que les atomes d'hydrogène sont librement mobiles. Les réactions chimiques entre la glace superionique et les minéraux environnants n'ont pas encore été identifiées, mais une diffusivité élevée de l'hydrogène dans la glace superionique peut produire des réactions plus rapides que dans la glace solide, mais différent de l'eau, la phase liquide de H 2 O.