Вчені виявили два нові мінерали, які можуть утримувати воду глибоко в надрах Землі

Нижня мантія Землі — це шар приблизно від 660 до 2900 кілометрів під поверхнею. Досі вчені не могли до пуття пояснити, де саме в цій зоні може зберігатися значна кількість води: основні її мінерали, зокрема бриджманіт і феропериклаз, вважаються переважно сухими.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Nature Geoscience, вказує на інше місце — поблизу межі між мантією та рідким зовнішнім ядром. Саме там сейсмічні дослідження раніше фіксували загадкові області, через які сейсмічні хвилі проходять незвично повільно.

Щоб відтворити умови глибокої мантії, дослідники використовували алмазні камери надвисокого тиску та лазерне нагрівання зразків. У результаті вони виявили два раніше невідомі залізні оксигідроксиди — Fe5O12Hx та Fe7O12Hx. Ці мінерали витримують екстремальні температури й тиск і здатні утримувати значну кількість води. Показово, що для їхнього утворення багато води не потрібно: в окремих експериментах вихідний матеріал містив менш ніж 0,1% води, і навіть такої кількості водню вистачило для стабілізації нових фаз.

Важливо розуміти: йдеться не про підземне море чи океан. На такій глибині вода, найімовірніше, перебуває у складі мінералів. Нові оксигідроксиди для цього особливо придатні — вони залишаються стабільними в умовах нижньої мантії та мають більшу щільність, ніж навколишні породи, а отже, могли поступово опускатися все глибше.

Дослідники припускають, що ці мінерали могли формуватися ще на ранніх етапах історії планети. Коли первісний розплавлений шар Землі охолоджувався й кристалізувався, водовмісні мінерали могли утворюватися в глибоких шарах і поступово опускатися до межі мантії та ядра. Це ще один можливий механізм, за допомогою якого вода залишалася всередині Землі мільярди років. Питання походження земної води досі відкрите: одна з моделей передбачає, що значну її частину на ранню Землю принесли астероїди, інші сценарії допускають накопичення води вже після формування планети. Нове дослідження остаточної відповіді не дає, але додає важливу деталь.

Вода в мінералах не обов'язково залишається нерухомою. Коли водовмісні породи піднімаються разом із потоками речовини в мантії, тиск зменшується, і за певних умов мінерали стають нестабільними, вивільняючи воду. Частина її зрештою може повертатися ближче до поверхні через мантійні плюми та вулканічні процеси. Тобто водний цикл Землі може бути значно масштабнішим, ніж випаровування океанів, утворення хмар і опади — він може простягатися на тисячі кілометрів углиб.

Нові мінерали також допомагають пояснити так звану «H-фазу», яку вчені раніше отримували в експериментах із надвисоким тиском. Дослідники припускають, що загадкова фаза могла відповідати одному з нових оксигідроксидів, а водень, який потрапляв у зразки навіть у дуже малих кількостях, міг впливати на результати попередніх експериментів.

Що це означає для батьків і студентів

Якщо ви готуєтеся до уроків географії, олімпіад чи вступних іспитів із наук про Землю, варто запам'ятати кілька практичних речей. По-перше, «вода в надрах» — це не озеро чи океан, а хімічно зв'язана вода у складі мінералів; саме тому її не видно на знімках і не можна «добути» як звичайний водоносний горизонт. По-друге, межі шарів Землі — не просто абстрактні цифри: вони визначають, які мінерали там стабільні, а отже, де може накопичуватися вода. По-третє, наукові висновки тут поки попередні: експерименти показали лише, що нові мінерали можуть бути стабільними за умов глибокої мантії.

Підсумок: дослідження не доводить, що ці мінерали справді існують у великих кількостях усередині Землі. Залишається з'ясувати, скільки саме води вони здатні утримувати, наскільки поширені та що з ними відбувається безпосередньо на межі мантії та ядра. Також поки незрозуміло, як швидко захована в них вода може повертатися до поверхні.