Вода на Земле может проникать гораздо глубже, чем кажется. Новое исследование предполагает, что огромные её запасы способны скрываться почти у границы земного ядра — на глубине до 2900 километров.
Речь, конечно, не идёт о гигантском подземном океане. В таких условиях вода должна быть заключена внутри минералов. И теперь учёные обнаружили два ранее неизвестных соединения, которые, по-видимому, способны удерживать её даже при чудовищных температурах и давлениях нижней мантии.
Вода играет важную роль не только на поверхности планеты. Она участвует в медленном движении пород мантии, помогает им деформироваться и скользить относительно друг друга. Это связано с тектоническим циклом, переработкой пород и летучих веществ и, в конечном счёте, с процессами, влияющими на климат Земли в геологических масштабах времени.
Но до сих пор оставался важный вопрос: где именно находится вода, попавшая глубоко внутрь планеты?
Одна из гипотез предполагает, что её принесли на Землю астероиды и часть воды сохранилась в недрах ещё со времён формирования планеты. Согласно другой версии, первоначально мантия могла быть сухой, а вода проникла туда позднее.
Особенно мало было известно о самых глубоких областях мантии. Она простирается примерно от 660 до 2900 километров под поверхностью, однако её основные минералы — бриджманит и ферропериклаз — считаются в основном сухими. Другие минералы способны удерживать воду, но зачастую либо требуют необычного химического состава, либо разрушаются при температурах, характерных для самых глубоких слоёв.
Исследователи решили проверить, могут ли существовать другие вещества, подходящие для этой роли.
Для этого они использовали алмазные наковальни с лазерным нагревом. Крошечные образцы зажимали между двумя алмазами и одновременно нагревали лазерами, воспроизводя экстремальное давление и температуру глубокой мантии.
В таких условиях образовались два ранее неизвестных оксигидроксида железа — Fe5O12Hx и Fe7O12Hx. По расчётам, они способны связывать и удерживать значительные количества воды.
Особенно интересным оказалось то, что эти соединения появлялись даже тогда, когда воды в исходном образце было меньше 0,1 процента. То есть для их образования оказалось достаточно совсем небольшого количества водорода.
Это важно, поскольку свободной воды в глубинах Земли практически нет. Если она там действительно существует в больших количествах, ей необходимо быть встроенной непосредственно в структуру минералов.
Новые соединения подходят для этого необычайно хорошо. Они устойчивы при условиях нижней мантии и заметно плотнее окружающих пород.
Учёные предполагают, что подобные минералы могли образоваться ещё в ранней истории Земли. Когда существовавший у основания мантии океан расплавленной породы постепенно остывал и кристаллизовался, плотные минералы с заключённой в них водой могли опускаться вниз и накапливаться возле границы мантии и ядра.
Однако эта вода не обязательно остаётся там навсегда.
Если содержащие её породы начинают подниматься вместе с потоками вещества в мантии, давление постепенно падает. В результате минералы могут становиться нестабильными и отдавать воду другим соединениям.
Со временем часть этой воды потенциально способна снова приближаться к поверхности вместе с мантийными потоками и вулканической активностью. Таким образом, круговорот воды на Земле может простираться от поверхности практически до самого ядра.
Новое открытие позволило заодно объяснить ещё одну загадку. В предыдущих экспериментах при высоком давлении учёные наблюдали необычную так называемую Н-фазу. Теперь выяснилось, что она, возможно, соответствует одному из недавно открытых оксигидроксидов железа.
Исследователи предполагают, что она могла появляться из-за следовых количеств водорода, попадавшего в образцы вместе с влагой. Как оказалось, даже совсем небольшого количества водорода может быть достаточно для образования сильно насыщенных им соединений железа.
При этом авторы подчёркивают, что эксперименты пока лишь показывают возможность существования таких минералов в глубокой мантии. Они не доказывают напрямую, что эти вещества действительно находятся внутри Земли.
Также пока неизвестно, сколько именно воды они способны удерживать, что происходит с ними непосредственно на границе ядра и мантии и насколько быстро заключённая в них вода может возвращаться к поверхности.
Тем не менее открытие указывает на возможность существования глубочайшей части земного круговорота воды. Если такие минералы действительно присутствуют в недрах планеты, они могут помочь объяснить одну из давних загадок — каким образом Земля смогла получить и сохранить свои запасы воды.
Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.
