У надрах Землі може зберігатися прихований запас води на глибинах до приблизно 2 900 кілометрів – майже на межі між мантією та зовнішнім ядром. На це вказують результати нового лабораторного дослідження, про яке розповідає ScienceAlert.
Вода не лише забезпечує існування відомих форм життя, а й змащує повільні рухи мантії, дозволяючи тектонічним плитам ковзати та переробляти породи й леткі сполуки. Це, своєю чергою, впливає на клімат у геологічних масштабах. Тому питання, як і де саме вода зберігається всередині планети, є ключовим для розуміння її придатності до життя.
Де може ховатися глибока вода
Існують різні моделі походження земної води. За однією з них, її принесли астероїди ще на етапі формування планети, і мантія одразу залишалася зволоженою. Інший варіант – що спочатку мантія була сухою, а вода потрапила до неї пізніше.
Однак точне розташування води в товщі мантії досі було неясним. Нове дослідження вказує, що значна її частина може бути пов’язана з областями поблизу межі між мантією та рідким зовнішнім ядром, де сейсмічні вимірювання раніше виявляли загадкові «зони наднизьких швидкостей».
Нижня мантія простягається від приблизно 660 до 2 900 кілометрів під поверхнею. Її основні мінерали – бриджманіт і феропериклаз – вважаються переважно «сухими», тобто майже не містять води. Інші мінерали здатні утримувати воду на великих глибинах, але часто потребують незвичних хімічних складів або руйнуються за високих температур у найглибших шарах.
Експерименти під тиском, як у надрах планети
Щоб знайти інший механізм зберігання води, дослідники використали лазерно-нагрівні ковадла з алмазними наковальнями. У таких установках крихітні зразки стискають між двома алмазними наконечниками на відстані товщиною з аркуш паперу, одночасно нагріваючи їх лазерами до екстремальних температур.
За цих умов науковці виявили два раніше невідомі залізовмісні оксигідроксиди – Fe5O12Hx та Fe7O12Hx, які можуть «замикати» у своїй структурі великі обсяги води. Експерименти показали, що ці фази здатні існувати за тисків і температур, характерних для глибин нижньої мантії, хоча саме дослідження не доводить безпосередньо, що вони вже присутні всередині Землі.
Геонауковець Альфред Вілсон (Alfred Wilson) з Університету Лідса у своєму коментарі зазначає, що ці оксигідроксиди є щільними та, здається, стабільними фазами, які можуть захоплювати й утримувати воду в широкому діапазоні умов нижньої мантії.
Важливо, що нові мінерали формувалися навіть тоді, коли води було дуже мало. В окремих дослідах вихідний матеріал містив менше ніж 0,1 відсотка води, але навіть такі слідові кількості водню виявилися достатніми для стабілізації нових фаз.
Це узгоджується з уявленням, що глибоке надра Землі – не «підземний океан», а область, де вода має бути вбудована в кристалічні решітки мінералів, часто за умов, коли вільна рідина практично відсутня. Нові оксигідроксиди виглядають особливо придатними до такої ролі.
Як вода може циркулювати між ядром і поверхнею
Виявлені мінерали не лише витримують екстремальні умови нижньої мантії, а й є значно щільнішими за навколишню породу. Це означає, що в ранній історії Землі, коли так званий «базальний магмовий океан» охолоджувався й кристалізувався, водонасичені оксигідроксиди могли утворюватися та осідати до межі ядро–мантія.
Цей прихований запас води не обов’язково залишається там назавжди. Коли водовмісні породи з часом підтягуються вгору конвекційними потоками мантії, зниження тиску може зробити мінерали нестабільними, і вони вивільнятимуть воду в інші фази мантії.
Зрештою частина цієї води, ймовірно, повертається ближче до поверхні разом із мантійними плюмами та вулканізмом. Таким чином, глибинні мінерали можуть бути ланкою у розширеному водному циклі, що простягається від поверхні аж до межі з ядром.
Розв’язання старої загадки та відкриті питання
Нове відкриття також допомагає пояснити давню лабораторну загадку. Раніше в експериментах за високого тиску спостерігали так звану «H-фазу» – незвичний мінерал, природа якого залишалася неясною. Тепер виявилося, що одна з нових оксигідроксидних фаз добре відповідає цій H-фазі.
Дослідники припускають, що в попередніх дослідах навіть незначне забруднення воднем через слідову вологу, а не абсолютно «сухий» мінерал, могло сприяти появі загадкової фази. За словами мінералога та кристалографа Леоніда Дубровінського (Leonid Dubrovinsky) з Університету Байройта, навіть дуже малі кількості водню виявляються достатніми для стабілізації цих сильно гідратованих сполук заліза.
Попри це, картина залишається неповною. Потрібно точніше з’ясувати, скільки саме води можуть утримувати нові мінерали та що з ними відбувається безпосередньо на межі ядро–мантія. Також невідомо, наскільки легко й за які часові проміжки вода з таких глибинних резервуарів може повертатися до поверхні.
Утім, результати свідчать, що водний цикл Землі може простягатися значно глибше, ніж вважалося раніше – аж до краю ядра. На думку Вілсона, нововиявлені мінерали є важливим кроком до розв’язання загадки, як наша планета отримала й зберегла свою воду. Дослідження опубліковане в журналі Nature Geoscience.