Дослідження: у глибинах мантії вода може зберігатися мільярди років

Вода на Землі є основою життя, але її походження досі не має остаточного наукового пояснення. Частина води, що існувала ще на ранніх етапах формування планети, могла зберегтися глибоко в надрах. Дослідження, опубліковане в Nature Geoscience, пропонує можливий механізм такого збереження.

Команда вчених виявила дві раніше невідомі сполуки заліза — Fe5O12Hx та Fe7O12Hx. Вони здатні утримувати воду за надзвичайно високих тисків і температур, характерних для нижньої мантії. Ці результати можуть доповнити уявлення про внутрішню будову планети та її водний цикл.

Важливо розуміти: вода всередині Землі не обов'язково перебуває у рідкому вигляді. Значна її частина хімічно зв'язана з мінералами кори та мантії. Така вода впливає на рух тектонічних плит, вулканічну активність і властивості гірських порід. Досі не було повної картини того, які саме мінерали здатні утримувати воду тривалий час за умов нижньої мантії.

Щоб перевірити це, науковці відтворили умови глибин у лабораторії. Крихітні зразки поміщали між двома алмазами, стискаючи речовину до екстремальних значень тиску, а потім нагрівали лазерами. У ході експерименту досягли тиску приблизно у 2 мільйони разів вищого за атмосферний на поверхні, температури близько 2 500 градусів Цельсія та умов, подібних до глибини приблизно 2 900 кілометрів під поверхнею — поблизу межі мантії та ядра.

За таких умов у зразках утворилися два залізні оксигідроксиди. Це сполуки, що містять кисень, водень і метал — у цьому випадку залізо. Оксигідроксиди формують структури, здатні утримувати воду в хімічно зв'язаному стані.

Показово, що нові сполуки виникали не лише з матеріалів, багатих на воду, а й у зразках, де води майже не було. Отже, для їхнього утворення може вистачити навіть невеликої кількості водню.

"Схоже, що навіть дуже невеликі кількості водню достатні для утворення цих багатих на воду сполук заліза", — заявив Леонід Дубровінський, дослідник Баварського дослідницького інституту експериментальної геохімії та геофізики при Байройтському університеті та один із авторів дослідження.

За результатами роботи, нові оксигідроксиди здатні захоплювати й утримувати воду в широкому діапазоні умов нижньої мантії. Особливо цікавить їхня потенційна спроможність зберігати воду різного походження: і первісну, що могла існувати від часів формування Землі, і ту, яку в глибини заносять тектонічні плити. Під час субдукції одна плита занурюється під іншу, і разом із породами частина води потрапляє в глибші шари мантії.

"Ці мінерали також можуть зберігати воду, яку рух тектонічних плит переносить глибоко всередину Землі. Оскільки сполуки дуже щільні, вони, ймовірно, залишатимуться поблизу межі ядра та мантії й утримуватимуть там воду протягом геологічних масштабів часу", — пояснив Ман Ляньцзе, колишній докторант Баварського дослідницького інституту експериментальної геохімії та геофізики та співавтор роботи.

Якщо такі сполуки справді існують у природних умовах, вони можуть бути частиною давнього резервуара води, що зберігається в мантії від часів формування планети. Це потенційно змінює уявлення про водний цикл Землі: вода може не лише переміщуватися між океанами, атмосферою, поверхнею та підземними шарами, а й накопичуватися в мінералах на величезних глибинах. Такий резервуар міг би брати участь у довготривалому обміні водою між поверхнею та надрами. Щоправда, конкретний обсяг води, який здатні зберігати ці сполуки, ще потрібно встановити.

Автори наголошують на обмеженні своїх результатів. Лабораторія показала, що сполуки можуть утворюватися та утримувати воду за умов глибокої мантії, але це не доводить, що вони справді є в надрах Землі. Потрібні додаткові дослідження, які з'ясують, чи формуються такі мінерали в реальних геологічних процесах, у яких кількостях вони можуть бути присутні та наскільки стабільно утримують воду.

Отже, відкриття двох нових сполук заліза не означає, що вчені вже знайшли підземне море. Йдеться про потенційний механізм зберігання води в мінералах, який може пояснити частину історії води на Землі. Дослідження додає нові докази до вивчення внутрішньої будови планети, її водного циклу та можливого збереження первісної води протягом мільярдів років.