Wadsleyit — „potencjalne” oceany wody w strefie przejœciowej p³aszcza Ziemi?
Krystyna Klimas*, Jan Koziar*
Bilans wody zestawiony na podstawie chondrytówwêglistych — œwiadków Wielkiego Wybuchu i zawartoœci H2O na Ziemi — wykazuje du¿y jej niedobór na naszej pla-necie. Wyliczenia oparto g³ównie na iloœci wody w najstar-szych typach meteorytów, chondrytach wêglistych typu C1 uwa¿anych za pierwotn¹ materiê Uk³adu S³onecznego, która w postaci prawie niezmienionej przetrwa³a od 4,6 x 109
lat.
Z bilansu tego wynika, ¿e Ziemia powinna zawieraæ 3% wody, lecz gdy zsumujemy jej zawartoœæ w hydrosferze (atmosfera + skorupa ziemska) otrzymamy zaledwie ma³y u³amek procenta (Ahrens, 1989). Nawet hipotezy przyj-muj¹ce powstanie Ksiê¿yca kosztem Ziemi nie t³umacz¹ tak du¿ej jej utraty. Wielu uczonych przypuszcza, ¿e du¿e iloœci wody mog¹ byæ uwiêzione g³êboko wewn¹trz Ziemi. Poœredniego dowodu na to dostarczy³y badania izotopów helu wydobywaj¹cych siê podczas erupcji wulkanicznych, zw³aszcza z tzw. pióropuszy p³aszcza. Stwierdzono w nich He4, który powstaje przez rozpad radioaktywny, ale te¿ He3 pochodz¹cy z czasów narodzin Wszechœwiata (Ahrens, 1989). Jeœli tak g³êbokie wnêtrze Ziemi kryje w sobie pozosta³oœæ Wielkiego Wybuchu w postaci bardzo lotnego przecie¿ He3, dlaczego nie mog³oby zawieraæ wody? Podob-nie badania uwodnionych minera³ów wystêpuj¹cych w kimberlitach, sk³aniaj¹ do uznania ich za dekompresyjne produkty wysokociœnieniowych minera³ów bogatych w wodê, z g³êbokoœci poni¿ej 180 km. W niektórych kimber-litach stwierdzono pozosta³oœci majorytu, wysokociœ-nieniowego minera³u, wskazuj¹cego na mo¿liwoœæ powstawania na g³êbokoœci 300–670 km w p³aszczu Ziemi (Jeanloz, 1991). Nie jest wiêc zaskoczeniem, ¿e od dawna
mineralodzy próbuj¹ odtworzyæ eksperymentalnie warun-ki panuj¹ce na ró¿nych g³êbokoœciach w p³aszczu Ziemi i ich dzia³anie na sk³ady minera³ów zbli¿one do wystê-puj¹cych w perydotytach. Zestawienie wyników niektó-rych eksperymentów przedstawia tab. 1.
Jak wynika z tab. 1 otrzymane w eksperymentach wysokociœnieniowe fazy krystaliczne (niektóre s¹
ekwiwa-lentami syntetycznymi minera³ów o takich samych nazwach, np. chondrodyt, klinohumit, wadsleyit) mog³y powstawaæ w p³aszczu Ziemi na ró¿nych g³êbokoœciach. Niestety niektóre z nich nie s¹ stabilne ju¿ w warunkach powy¿ej T = 800o
C i P = 8 GPa, a wiêkszoœæ powy¿ej T = 1350o
C i P = 15G Pa. Jedynie bezwodny i wodny wadsleyit ß–(Mg, Fe)2SiO4 i wadsleyit II mog¹ byæ stabilne nawet przy PT panuj¹cych w strefie przejœciowej p³aszcza Ziemi (Smyth & Kawomoto, 1997).
Syntezê fazy krystalicznej, nazwanej potem wadsleyi-tem otrzymali Ringwood i Major (1966), którzy badali roz-puszczanie w stanie sta³ym spinelu Mg2SiO4 — Fe2SiO4 przy HT i HP (tab.1). Koñcowym produktem ich ekspery-mentu by³a nowa struktura, o symetrii rombowej. Pocz¹tkowo znana by³a pod ró¿nymi nazwami: „zmodyfi-kowanego spinelu, fazy beta, beta spinelu i rzadziej â — Mg2SiO4 (tab.1). Po znalezieniu tej fazy w meteorycie Peace River (Price i in., 1983), zgodnie z sugestiami Rin-gwooda, nowy minera³ nazwano wadsleyitem, na czeœæ znanego australijskiego mineraloga i krystalografa — Davida Wadsleya (Prewit & Downs, 1998). Wadsleyit ma sieæ krystaliczn¹ zbudowan¹ z 2 rodzajów warstw, jednej zbudowanej z oktaedrów MgO6 i miejsc wakansowych i drugiej zbudowanej z oktaedrów MgO6, tetraedrów SiO4i miejsc wakansowych. Ta niezwyk³oœæ struktury zainspiro-wa³a badaczy do eksperymentowania w obecnoœci wody, które da³y w efekcie wodny wadsleyit i wadsleyit II (tab.1). 594
Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 7, 2002
Nazwa fazy krystalicznej Wzór chemiczny Gêstoœæw g/cm3 Temp.woC w GPaCiœñ. Literatura
klinohumit Mg9Si4O18H2 3,14 700–1100 2,9–7,7 Yamamoto & Akimoto, 1977
faza A Mg7Si2O14H6 2, 959 800 7,7 Ringwood & Major, 1967
faza B Mg12Si4O21H2 3 ,32 1200 12,0 Ringwood & Major, 1967
super wodna B Mg10Si3O14(OH)4 3,214 1000 15,0 Gasparik, 1990
faza C ? ? ? ? Ringwood & Major, 1967
chondrodyt, faza D Mg5Si2O10H2 3,06 700–1100 2.9–7,7 Yamamoto & Akimoto, 1977
faza E Mg2,17Si1,01O6H3,62 2 ,78 1200 17,5 Kudoh et al., 1993
faza E Mg2,08Si1,16O6H3,20 2,822 1000 13,0–15,5 Kanzaki, 1991
faza F Mg3,35Si5,51H7,26O18 2,826 1000 17,0 Kanzaki, 1991
faza 10 A Mg3Si4O14H6 2,65 650 4,8–9,0 Yamamoto & Akimoto, 1977
wadsleyit $–Mg2SiO4 3,50 1500 17,5 Ringwood & Major, 1966
wadsleyit $–(Mg, Fe)2SiO4 3,50 1500 19,5 Smyth, 1994; Smythi in., 1997
wadsleyit II w tekœcie 3,513 1400 17,5 Smyth & Kawamoto, 1997
Tab. 1. Zestawienie niektórych wodnych (hydrous) faz krystalicznych HT i HP krzemianów Mg i Fe
*Instytut Nauk Geologicznych, Uniwersytet Wroc³awski, Pl. M. Borna 9, 50-204 Wroc³aw;e-mail: klim@ing.uni.wroc.pl
Wodny wadsdelyit o wzorze Mg1,730Fe0,098Al0,008Si0,991H0,355O4 ma strukturê krystaliczn¹, przejœciow¹ miêdzy á — oliwi-nem i ã — spinelem, krystalizuj¹c¹ jednak w uk³adzie jednoskoœnym, zaliczany do krzemianów grupowych, zbu-dowany jest raczej z grup [Si2O7], ni¿ z oddzielnych tetrae-drów [SiO4]. Wakanse kationowe w po³o¿eniach Si, jak równie¿ w M3 s¹ g³ównymi miejscami kompensacji ³adun-ku, które pozwalaj¹ wadsleyitowi na w³¹czanie zmiennych iloœci H jako OH, maksymalnie do 3,3% H2O (Smyth, 1994).
Przy eksperymentach z wy¿sz¹ zawartoœci¹ Fe, otrzymano inn¹, now¹, ale podobn¹ strukturê — wadsleyit II (Smyth & Kawamoto, 1997) o wzorze che-micznym Mg1,71Fe0,177Al0,01Si0,965H0,322O4. Jego struktura jest bardzo podobna do wodnego wadsleyitu opisanego wczeœniej, te¿ krystalizuje w uk³adzie jednoskoœnym, ma takie same osi a i c, oœ b jest natomiast 2,5 razy wiêksza ni¿ w wodnym wadsleyicie. Ta modyfikacja jego struktury mo¿e wynikaæ z uporz¹dkowania kationowego. Mo¿e on zawieraæ od 2,0–2,7% wagowych wody.
Obliczono, ¿e zawartoœæ 0,1 % wag. wody konstytucyj-nej w minera³ach strefy przejœciowej p³aszcza Ziemi (400–670 km g³êbokoœci), da³aby pow³okê wodn¹ o g³êbo-koœci 800 m na jej powierzchni, zaœ 0,5% wag. wody „potencjalnej”, to wiêcej wody ni¿ we wszystkich wspó³czesnych oceanach (Smyth & Kawamoto, 1997). Obecnoœæ tak du¿ej iloœci wody w p³aszczu Ziemi mia³aby zatem znacz¹cy wp³yw na powstanie i ewolucjê hydrosfery. Odpowiednio regulowa³aby te¿ sztywnoœæ i elastycznoœæ ska³ w zale¿noœci od g³êbokoœci ich wystêpowania. Zdecy-dowanie te¿ u³atwia³aby generowanie du¿ych iloœci sto-pów magmowych, obni¿aj¹c znacznie temperatury topienia ska³. Mo¿e te¿ przyœpieszaæ wszelkie inne prze-obra¿enia ska³ wymagaj¹ce du¿ej iloœci roztworów. Nieko-niecznie wiêc Ÿróde³ wody bior¹cej udzia³ w ró¿nych procesach geologicznych musimy upatrywaæ na jej
powierzchni, czy w przesyconych wod¹ osadach subdu-kuj¹cych p³ytach oceanicznych litosfery.
Literatura
AHRENS T. J. 1989 — Water storage in the mantle. Nature, 342: 122–123.
GASPARIK T. 1990 — Phase relation in the transition zone. J. Geoph. Res., 95: 15751–15769.
KANZAKI M. 1991 — Stability of hydrous magnesium silicates in the mantle transition zone. Phys. Earth Planet Int., 66: 307–312.
KUDOH Y., FINGER L.W., HAZEN R.M., PREWITT C.T., KANZAKI M. & VERBLEN D.R. 1993 — Phase E: A high pressure hydrous silicate with unique crystal chemistry. Phys. Chem. Miner., 19: 357–360.
JEANLOZ R. 1991 — Effects of phase transitions and possible com-positional changes on the seismological structure near 650 km depth. Geoph. Res. Letters, 18: 1743–1746.
PREWITT T.C. & DOWNS R.T. 1998 — High pressure crystal chemi-stry. [In:] Miner. Soc. Amer., Rev. Miner., 37: 231–274.
PRICE G.D., PUTNIS A. & AGREEL S.O. 1983 — Wadsleyite, natu-ral ß–(Mg, Fe)2SiO4from the Peace River meteorite. Canad. Miner., 21:
29–35.
RINGWOOD A. E. & MAJOR A. 1966 — Synthesis of
Mg2SiO4–Fe2SiO4spinel solid solution. Earth and Planetary Sci.
Let-ters, 1: 241–245.
RINGWOOD A. E. & MAJOR A. 1967 — High-pressure reconnais-sance investigations in the system Mg2SiO4–MgO–H2O. Earth and
Pla-netary Sci. Letters, 2: 130–133.
SMYTH J.R. 1994 — A crystallographic model for hydrous wadsley-ite (ß–Mg2SiO4): An ocean in the Earth`s interior? Amer. Miner., 79:
1021–1024.
SMYTH J.R. & KAWAMOTO T. 1997 — Wadsleyite II: A new high pressure hydrous phase in the peridotite — H2O system. Earth and
Pla-netary Sci. Letters, 146: 9–16.
SMYTH J.R., KAWOMOTO T., JACOBSEN D.S., SWOPE R.J., HERVIG R.L. & HOLLOWAY J.R. 1997 — Crystal structure of monoclinic wadsleyite [ß–(Mg, Fe)2SiO4]. Amer. Miner., 82: 270–275.
YAMAMOTO K. & AKIMOTO S. 1977 — The system
MgO–SiO2–H2O at high pressures and temperatures-stability field for
hydroxyl-chondrodite, hydroxyl-clinohumite and 10?–phase. Amer. J. Sci., 277: 288–312.
595 Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 7, 2002
