Необходимый для жизни компонент может скрываться глубоко под землей
Фраза «вода — это жизнь» верна: без воды невозможна жизнь на Земле. Кроме того, вода является ключевым компонентом, обеспечивающим сверхмедленное движение мантийного слоя Земли, смачивая эти слои горных пород настолько, что они могут скользить относительно друг друга. Возможно, на Земле есть скрытый запас воды на глубине до 2900 километров под поверхностью.
Это важно для тектонического цикла, который, в свою очередь, помогает регулировать климат в геологическом масштабе времени. Вода также обеспечивает важную циркуляцию горных пород и летучих соединений в мантии, напоминает ScienceAlert.
«Жидкая вода — ключевой компонент, обеспечивающий пригодность Земли для жизни», — пишет геолог Альфред Уилсон из Университета Лидса в Великобритании в комментарии к новому исследованию о внутренних водных ресурсах Земли.
Как эта вода попала в мантию? Согласно одной из гипотез, воду на Землю принесли астероиды, и она оставалась в жидком состоянии с момента формирования планеты. Или, возможно, вода появилась позже и увлажнила ранее сухую мантию. Где именно в мантийном слое Земли, глубина которого составляет несколько километров, находится эта вода, до недавнего времени было неясно.
Согласно новому исследованию, вода, скорее всего, находится вблизи границы между мантией и жидким внешним ядром Земли, где, как показали сейсмические исследования, существуют загадочные «зоны сверхнизких скоростей».
Нижняя часть мантии простирается на глубину от 660 до 2900 километров под поверхностью Земли. Считается, что наиболее распространенные в ней минералы, в том числе бриджманит и ферропериклаз, практически не содержат воды.
Другие минералы могут удерживать воду на глубине, но для сохранения стабильности им нужен особый состав, либо же они разрушаются при высоких температурах, характерных для самых глубоких слоев мантии.
Поэтому исследователи решили поискать другие варианты, рассказывает ScienceAlert. Они использовали ячейки с алмазными наковальнями с лазерным нагревом — устройства, в которых крошечные образцы сжимаются между двумя алмазными наконечниками на расстоянии, равном толщине листа бумаги, а лазеры нагревают их, — чтобы воссоздать высокие температуры и давление.
В таких условиях ученые обнаружили два ранее неизвестных оксигидроксида железа (Fe5O12Hx и Fe7O12Hx), которые могут удерживать огромное количество воды.
Эксперименты показали, что эти фазы могут существовать в условиях глубинных слоев мантии, но не доказали напрямую, что они присутствуют внутри Земли. «Идентификация этих оксигидроксидов железа важна, поскольку они представляют собой, по всей видимости, стабильные, плотные фазы, которые захватывают и удерживают воду в широком диапазоне условий в нижней части мантии», — пишет Уилсон в своём комментарии.
Эти минералы образовались даже при недостатке воды. В некоторых экспериментах исходный материал содержал менее 0,1 % воды, но даже такого незначительного количества водорода было достаточно, чтобы стабилизировать новые фазы. Это важно, потому что недра Земли — это не гигантский подземный океан. Вся вода, которая там может находиться, должна быть связана с минералами, часто в условиях, когда свободной воды практически нет.
Эти новые минералы, по всей видимости, идеально подходят для этой цели. Они стабильны в экстремальных условиях в нижней части мантии и значительно плотнее окружающих мантийных пород. Это означает, что, когда первичный расплавленный «базальтовый магматический океан» остыл и кристаллизовался на раннем этапе истории Земли, могли образоваться эти водосодержащие минералы, которые затем опустились к границе ядра и мантии. Эта скрытая вода может не оставаться скрытой, потому что по мере того, как водосодержащий материал поднимается вверх в результате мантийной циркуляции, снижение давления может дестабилизировать минералы, высвобождая воду в другие фазы мантии. В конечном счёте часть этой воды могла вернуться на поверхность через мантийные плюмы и в результате вулканической активности, и, вероятно, так и происходит.
Это открытие также проливает свет на одну из прежних загадок. Минерал, известный как «H-фаза», обнаруженный в ходе более ранних экспериментов с высоким давлением, по-видимому, соответствует одному из недавно открытых оксигидроксидов. Исследователи предполагают, что причиной появления загадочной фазы в более ранних экспериментах могло быть загрязнение водородом из-за следовых количеств влаги, а не появление совершенно нового сухого минерала.
«По всей видимости, даже очень небольшого количества водорода достаточно, чтобы стабилизировать эти сильно гидратированные соединения железа», — говорит физик-минералог и кристаллограф Леонид Дубровинский из Байройтского университета.
По словам Уилсона, многие вопросы остаются без ответа, а картина в целом «неполна». Необходимо выяснить, сколько именно воды содержится в этих минералах и что происходит, когда они достигают границы ядра и мантии. Также неясно, насколько легко и за какой период времени вода, содержащаяся в этих глубинных минералах, может вернуться на поверхность. Тем не менее это открытие позволяет предположить, что круговорот воды на Земле может распространяться вплоть до границы ядра, и, по словам Уилсона, эти недавно открытые минералы «прорывают завесу тайны над тем, как Земля получила и сохранила воду».