Земля может скрывать запасы воды на глубине до 3000 километров под поверхностью

Фото из открытых источников

Фраза "вода — это жизнь" верна. Вода делает возможной всю известную жизнь на Земле. Это также ключевой компонент, обеспечивающий сверхмедленное движение мантийного слоя Земли, увлажняя эти слои горных пород настолько, чтобы они могли просачиваться и скользить друг относительно друга.

Это важно для тектонического цикла, который, в свою очередь, помогает регулировать климат на протяжении геологического времени. Эта вода также обеспечивает важный круговорот горных пород и летучих соединений в мантии.

«Жидкая вода — ключевой компонент обитаемости Земли», — пишет геофизик Альфред Уилсон из Университета Лидса в Великобритании в комментарии к опубликованному в журнале Nature Geoscience новому исследованию о внутренних водах Земли. 

Как эта вода попала в мантию?

Одна из моделей предполагает, что астероиды принесли воду на Землю, и она оставалась увлажненной в процессе формирования планеты. Или, возможно, вода появилась позже, увлажнив ранее сухую мантию.

Точное местоположение этой воды в многокилометровом слое мантии недр планеты до сих пор было недостаточно изучено.

Новые исследования предполагают, что вода, вероятно, находится вблизи границы между мантией и ее жидким внешним ядром, где, как показали сейсмические исследования, существуют загадочные «зоны сверхнизкой скорости». 

Нижняя мантия простирается на глубину от 660 до 2900 километров под поверхностью. Считается, что её наиболее распространённые минералы, включая бриджманит и ферропериклаз, в основном сухие.

Другие минералы могут удерживать воду на большой глубине, но многим из них для сохранения стабильности необходим необычный состав, либо они разрушаются при высоких температурах, характерных для самых глубоких слоев мантии.

Поэтому исследователи начали искать другую возможность.

Для воссоздания высоких температур и давлений они использовали алмазные наковальни с лазерным нагревом — устройства, которые сжимают крошечные образцы между двумя алмазными наконечниками, расположенными на расстоянии всего лишь толщины бумаги друг от друга, в то время как лазеры облучают их горячим воздухом. 

В этих условиях ученые идентифицировали два ранее неизвестных оксигидроксида железа (Fe5O12Hx и Fe7O12Hx), которые способны удерживать огромное количество воды. 

Эксперименты показывают, что эти фазы могут существовать в условиях глубокой мантии, но не доказывают напрямую их наличие внутри Земли.

«Идентификация этих оксигидроксидов железа важна, поскольку они представляют собой, по-видимому, стабильные, плотные фазы, которые захватывают и удерживают воду в широком диапазоне условий нижней мантии», — пишет Уилсон.   

Эти минералы образовывались даже при дефиците воды. В некоторых экспериментах исходный материал содержал менее 0,1 процента воды, однако даже таких следовых концентраций водорода было достаточно для стабилизации новых фаз.

Это важно, потому что недра Земли — это не какой-то гигантский подземный океан. Любая вода, хранящаяся там, должна быть включена в состав минералов, часто в условиях, когда свободная вода практически отсутствует.

Эти новые минералы, по всей видимости, необычайно хорошо подходят для этой задачи.

Оба вещества стабильны в экстремальных условиях нижней части мантии и значительно плотнее окружающих мантийных пород.

Это означает, что когда первобытный расплавленный «базальный магматический океан» остыл и кристаллизовался на ранних этапах истории Земли, эти водосодержащие минералы могли образоваться, а затем опуститься к границе ядра и мантии.

Эта скрытая вода может не остаться скрытой, поскольку по мере того, как водосодержащий материал поднимается вверх в результате мантийной циркуляции, снижение давления может дестабилизировать минералы, высвобождая содержащуюся в них воду в другие фазы мантии.

В конечном итоге, часть этой воды может, и, вероятно, действительно, возвращается на поверхность через мантийные плюмы и вулканическую активность.

Это открытие также проливает свет на ранее существовавшую загадку. Минерал, известный как «H-фаза», обнаруженный в более ранних экспериментах при высоком давлении, по-видимому, соответствует одному из недавно идентифицированных оксигидроксидов.

Исследователи предполагают, что причиной появления загадочной фазы в более ранних экспериментах могло быть загрязнение водородом из-за следов влаги, а не появление совершенно нового сухого минерала.

«По всей видимости, даже очень небольшого количества водорода достаточно для стабилизации этих сильно гидратированных соединений железа», — говорит физик-минералог и кристаллограф Леонид Дубровинский из Байройтского университета.

Остаются еще много вопросов без ответа, и, по словам Уилсона, картина "неполная".

Необходимо точно определить, какое количество воды содержат эти минералы, и что происходит, когда они достигают границы ядра и мантии, остается неясным. Также неясно, насколько легко и в течение каких периодов времени вода, хранящаяся в этих глубинных минералах, может в конечном итоге вернуться на поверхность.

Тем не менее, это открытие предполагает, что круговорот воды на Земле может простираться до самого края ядра, и, по словам Уилсона, эти недавно обнаруженные минералы «представляют собой прорыв в разгадке тайны того, как Земля получала и сохраняла свою воду».