Глубоко внутри Земли могут сохраняться запасы воды, существовавшие ещё на ранних этапах формирования планеты. Международная группа исследователей обнаружила соединения железа, которые способны связывать водород и оставаться стабильными при экстремальных давлениях и температурах. Работа опубликована в журнале Nature Geoscience.
Соединения проверили в условиях земных глубин
Учёные из Университета Байройта получили два соединения — Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ. Исследователи считают их первыми реалистичными кандидатами на роль минералов, способных удерживать большие объёмы воды на значительной глубине.
Чтобы проверить устойчивость веществ, специалисты воспроизвели условия, характерные для внутренних слоёв планеты. Образцы помещали между алмазами и сжимали до давления 78–198 гигапаскалей, после чего нагревали лазерами до 2400–2800 кельвинов — около 2500 градусов Цельсия.
Получившиеся вещества затем исследовали с помощью синхротронного рентгеновского излучения. Анализ показал, что соединения образуются даже в тех образцах, где изначально почти не было воды.
«По-видимому, даже очень небольшого количества водорода достаточно для стабилизации этих сильно гидратированных соединений железа», — отметил профессор Леонид Дубровинский из Баварского научно-исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики Университета Байройта.
Где может находиться этот резервуар
Одной из наиболее вероятных зон для существования таких минералов учёные называют область у границы ядра и мантии. На заре существования Земли здесь, предположительно, находился базальный магматический океан. Когда он начал остывать, остаточный расплав постепенно обогащался железом и водой — именно этими компонентами, необходимыми для образования обнаруженных соединений.
Впрочем, речь может идти не только о воде, сохранившейся со времени формирования планеты. Такие минералы способны связывать и воду, которая переносится на глубину вместе с погружающимися тектоническими плитами.
Большая плотность соединений, в свою очередь, может способствовать их накоплению у границы ядра и мантии и длительному удержанию воды.
Особое внимание исследователи уделили Fe₅O₁₂Hₓ. Согласно расчётам, если этот минерал составляет около 1% мантии, его может хватить для хранения значительной части предполагаемого общего запаса водорода в силикатной оболочке Земли. При этом распределяться по всей мантии равномерно он, вероятно, не будет — скорее, образует отдельные обогащённые участки.
Возможная связь с вулканами и землетрясениями
Открытие может помочь лучше понять не только внутренний круговорот воды, но и процессы, связанные с сейсмической активностью и вулканизмом.
Во время экспериментов образование оксигидроксидов сопровождалось извлечением железа из окружающих силикатных минералов. Это способно менять границы между различными минералами мантии и, как предполагают учёные, может быть связано с некоторыми необычными сейсмическими сигналами, регистрируемыми в районе границы ядра и мантии.
Кроме того, водонасыщенные скопления таких соединений могут влиять на мантийные плюмы — потоки раскалённого вещества, поднимающиеся из глубин планеты.
Если оксигидроксиды начинают плавиться под воздействием тепла ядра раньше окружающих силикатов, они могут высвобождать накопленную воду и другие летучие вещества. Вместе с восходящими расплавами эти компоненты способны достигать более близких к поверхности слоёв и связывать процессы, происходящие на глубине тысяч километров, с вулканической активностью на поверхности Земли.