Два нові мінерали показали, де Земля може ховати воду на глибині тисяч кілометрів

Нижня мантія Землі — це шар, що лежить приблизно від 660 до 2900 кілометрів під поверхнею. Досі пояснити, де саме в цій зоні могла б зберігатися помітна кількість води, було складно: головні мінерали цього шару, зокрема бриджманіт і феропериклаз, вважаються переважно сухими.

Нова робота, опублікована в журналі Nature Geoscience, вказує на інше місце — околиці межі між мантією та рідким зовнішнім ядром. Саме там сейсмічні дослідження раніше фіксували загадкові зони, через які сейсмічні хвилі проходять незвично повільно.

Щоб перевірити цю гіпотезу, вчені використали алмазні камери, які створюють екстремальний тиск, і нагрівали зразки лазерами — так вдалося змоделювати умови глибоких шарів планети. У результаті було отримано два раніше невідомі залізні оксигідроксиди: Fe5O12Hx та Fe7O12Hx. Обидва виявилися стабільними за надвисоких температур і тиску та здатними утримувати значну кількість води.

Показово, що для утворення цих мінералів багато води не потрібно. В окремих експериментах вихідний матеріал містив менш ніж 0,1% води — і навіть такої кількості водню вистачило, щоб нові фази стабілізувалися.

Важливо не уявляти це як підземний океан. На таких глибинах вода, найімовірніше, входить до складу мінералів, а не існує у вигляді рідини. Нові оксигідроксиди підходять на цю роль особливо добре: вони залишаються стабільними в умовах нижньої мантії та щільніші за навколишні породи, а отже, могли поступово опускатися глибше.

Дослідники припускають, що ці мінерали могли формуватися ще на ранніх етапах історії Землі. Коли первісний розплавлений шар охолоджувався й кристалізувався, водовмісні мінерали могли виникати в глибоких шарах і поступово опускатися до межі мантії та ядра. Це додає ще один можливий механізм, за яким вода залишалася всередині планети мільярди років. Питання про походження земної води при цьому залишається відкритим: одна з моделей передбачає, що значну її частину на ранню Землю занесли астероїди, інші сценарії допускають накопичення води вже після формування планети. Нові результати остаточної відповіді не дають, але додають до цієї картини важливу деталь.

Вода, захована 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 та вивільняють 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 сягати на тисячі кілометрів углиб.

Є в цього відкриття й побічний ефект: нові мінерали можуть пояснити так звану "H-фазу", яку раніше отримували в експериментах із надвисоким тиском. Дослідники не виключають, що загадкова фаза відповідала одному з нових оксигідроксидів, а отже, водень, який потрапляв у зразки навіть у мізерних кількостях, міг впливати на результати попередніх дослідів.

Що робити з цією інформацією

Якщо ви навчаєтеся на геології, геофізиці чи матеріалознавстві, ця робота — хороший приклад того, як лабораторний експеримент допомагає інтерпретувати сейсмічні дані. Варто звернути увагу на методику: алмазні камери, лазерний нагрів і контроль вмісту водню у вихідному матеріалі. Для школярів і студентів, які готують доповіді про будову Землі, важливо розділяти поняття "підземний океан" і "вода у складі мінералів" — це різні речі, і саме друге описує відкриття.

Батькам, чиї діти цікавляться науками про Землю, варто підкреслити головне: дослідження не доводить, що нові мінерали справді існують у великих кількостях у надрах. Експерименти показали лише, що вони можуть бути стабільними в умовах глибокої мантії. Ще належить з'ясувати, скільки саме води вони здатні утримувати, наскільки поширені ці фази та що відбувається з ними безпосередньо на межі мантії та ядра. Незрозуміло також, як швидко вода з таких мінералів може повертатися до поверхні.

Підсумок

Два нові залізні оксигідроксиди, Fe5O12Hx та Fe7O12Hx, розширюють список місць, де Земля потенційно може зберігати воду, — тепер ідеться про глибини поблизу зовнішнього ядра. Це не готовий рецепт і не доведений факт про підземні резервуари, але важливий крок до розуміння того, як вода рухається між глибокими шарами планети й чи може частина її залишатися там мільярди років.