В глубинах Земли нашли возможный механизм хранения воды почти у самого ядра Земли
Учёные обнаружили два ранее неизвестных соединения железа, способных удерживать водород при давлениях и температурах, характерных для самых глубоких областей мантии Земли. Эксперименты показывают, что такие вещества могут существовать почти у границы мантии и ядра на глубине около 2900 километров и служить долговременным резервуаром воды внутри планеты. Однако присутствие этих соединений непосредственно в недрах Земли пока не подтверждено.
Международная группа исследователей синтезировала два оксигидроксида железа с составом Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ. Для этого небольшие образцы сжимали между алмазами в ячейках высокого давления и нагревали лазерами. Давление в экспериментах составляло от 78 до 198 гигапаскалей, а температура — от 2400 до 2800 кельвинов, или примерно от 2100 до 2500 °C. Такие условия соответствуют глубинным областям земной мантии. Структуру образовавшихся соединений исследовали с помощью синхротронного рентгеновского излучения.
Необычной особенностью новых соединений оказалась их способность образовываться даже при очень небольшом количестве воды в исходном веществе. Основные минералы нижней мантии, включая бриджманит и ферропериклаз, способны удерживать лишь ограниченное количество водорода, а многие известные водосодержащие фазы становятся нестабильными при высоких температурах. Новые оксигидроксиды железа, напротив, сохраняют устойчивость в диапазоне условий, характерных для нижней части мантии.
Особенно интересен Fe₅O₁₂Hₓ, способный содержать сравнительно много водорода. По оценке исследователей, содержание такого соединения порядка 1% потенциально могло бы обеспечить хранение значительной доли предполагаемого запаса водорода силикатной части Земли. При этом авторы не предполагают, что минерал равномерно распределён по всей мантии: если такие соединения действительно существуют в природе, они, вероятно, сосредоточены в отдельных глубинных областях.
Высокая плотность новых соединений делает возможным их накопление возле границы ядра и мантии. Один из предложенных сценариев относится к ранней истории Земли, когда над формирующимся ядром мог существовать глубокий океан расплавленной магмы. По мере его охлаждения остаточный расплав обогащался железом и водой. Образовавшиеся плотные водосодержащие соединения могли опускаться вниз и сохраняться возле ядра на протяжении миллиардов лет.
Есть и другой возможный источник такой воды. Часть водорода постоянно переносится в глубины планеты погружающимися литосферными плитами. Новые оксигидроксиды потенциально способны захватывать как первичный водород, сохранившийся со времени формирования Земли, так и водород, который позднее поступал в мантию в результате тектонических процессов. Поэтому глубинный круговорот воды может распространяться вплоть до границы мантии и жидкого внешнего ядра.
Работа также предлагает возможное объяснение так называемых зон сверхнизких скоростей — небольших областей непосредственно над ядром Земли, где сейсмические волны распространяются аномально медленно. Авторы предполагают, что скопления плотных железосодержащих оксигидроксидов могут участвовать в формировании таких неоднородностей. Пока это остаётся интерпретацией экспериментальных результатов, а не прямым определением состава этих областей.
Запасённая на большой глубине вода не обязательно должна оставаться там навсегда. При нагревании или попадании водосодержащего вещества в восходящие мантийные потоки соединения могут становиться нестабильными и высвобождать водород и другие летучие компоненты. В таком случае глубинные резервуары могут быть связаны с мантийными плюмами и в конечном счёте с вулканизмом на поверхности Земли. Исследователи подчёркивают, что этот механизм ещё предстоит проверить.
Открытие не означает, что под мантией находится гигантский подземный океан. Вода на таких глубинах должна присутствовать главным образом в связанном виде — водород входит в кристаллическую структуру минералов. Эксперимент показывает, что у Земли существует физически возможный механизм для сохранения значительного количества воды почти у самого ядра, но определить реальное содержание новых соединений в мантии смогут только дальнейшие исследования.
Исследование в журнале Nature Geoscience.