Вода является основой жизни на Земле, но ее происхождение до сих пор остается не до конца понятным для науки. Исследователи предполагают, что часть воды, существовавшая еще на ранних этапах формирования планеты, могла сохраниться глубоко внутри Земли. Об этом пишет Gizmodo.
Где Земля может хранить воду со времен своего формирования?
Новое исследование, опубликованное в научном журнале Nature Geoscience, предлагает возможное объяснение такого сценария. Команда ученых обнаружила два ранее неизвестных соединения железа, способных удерживать воду при чрезвычайно высоких давлениях и температурах, характерных для глубоких слоев земной мантии.
Речь идет о соединениях Fe5O12Hx и Fe7O12Hx. Их свойства могут помочь объяснить, как вода сохраняется внутри планеты на протяжении геологических эпох, а также углубить понимание внутреннего строения Земли и ее водного цикла.
Вода внутри Земли не обязательно существует в жидком состоянии. Значительная ее часть химически связана с минералами, содержащимися в земной коре и мантии. Эта вода играет важную роль в процессах, происходящих внутри планеты. Она влияет на движение тектонических плит, способствует вулканической активности и изменяет свойства горных пород.
В то же время ученые до сих пор не имели полной картины того, какие именно минералы способны удерживать воду в течение длительного времени в условиях нижней мантии. Новые результаты могут помочь восполнить этот пробел.
Как ученые воссоздали условия у ядра Земли
Чтобы изучить способность минералов удерживать воду в недрах планеты, ученые провели лабораторные эксперименты. Они воссоздали чрезвычайно высокое давление и температуру, характерные для внутренних слоев Земли. Для этого исследователи поместили крошечные образцы между двумя алмазами. Так можно сжимать вещество до экстремальных значений давления. После этого образцы нагревали с помощью лазеров.
В ходе эксперимента удалось достичь:
- Давления, примерно в 2 миллиона раз превышающего атмосферное давление на поверхности Земли.
- Температуры около 2 500 градусов по Цельсию.
- Условий, подобных тем, которые существуют на глубине примерно 2 900 километров под поверхностью планеты.
Эта глубина приблизительно соответствует границе между мантией и ядром Земли. Именно в этой области могут находиться чрезвычайно плотные минералы, способные удерживать воду.
В экстремальных условиях в образцах образовались два ранее неизвестных оксигидроксида железа – Fe5O12Hx и Fe7O12Hx. Оксигидроксиды – это соединения, в состав которых входят кислород, водород и металл. В данном случае речь идет о железе, которое может формировать структуры, способные удерживать воду в химически связанном виде.
Важно, что новые соединения образовывались не только из исходных материалов, богатых водой. Они также возникали в образцах, в которых воды практически не было.
Это означает, что для их образования может быть достаточно даже небольшого количества водорода.
Похоже, что даже очень небольшие количества водорода достаточны для образования этих богатых водой соединений железа, – заявил Леонид Дубровинский, исследователь Баварского исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики при Байройтском университете и один из авторов исследования.
Могут ли эти минералы хранить воду миллиарды лет
Согласно исследованию, новые оксигидроксиды железа способны захватывать и удерживать воду в широком диапазоне условий, характерных для нижней мантии.
Особый интерес представляет их потенциальная способность хранить воду различного происхождения. Речь идет о первичной воде, которая могла существовать еще во время формирования Земли, а также о воде, попадающей в недра планеты в результате движения тектонических плит. Тектонические плиты могут переносить воду с поверхности вглубь Земли. Этот процесс называют субдукцией – погружением одной плиты под другую. Вместе с породами и минералами часть воды может попадать в более глубокие слои мантии.
По словам ученых, новые соединения обладают высокой плотностью. Благодаря этому они, вероятно, могут оставаться вблизи границы между ядром и мантией, удерживая воду в течение чрезвычайно длительных периодов.
"Эти минералы также могут сохранять воду, которую движение тектонических плит переносит глубоко внутрь Земли. Поскольку соединения очень плотные, они, вероятно, будут оставаться вблизи границы ядра и мантии и удерживать там воду в течение геологических временных масштабов", – пояснил Ман Ляньцзе, бывший докторант Баварского исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики и соавтор работы.
Если подобные соединения действительно существуют в природных условиях внутри Земли, они могут быть частью древнего резервуара воды, сохранившегося в мантии еще от времен формирования планеты.
Это потенциально меняет представления о водном цикле Земли. Вода может не только перемещаться между океанами, атмосферой, поверхностью и подземными слоями, но и накапливаться в минералах на огромных глубинах. Такой резервуар мог бы играть роль в долгосрочном обмене водой между поверхностью и внутренними слоями планеты. Однако конкретный объем воды, который способны хранить новые соединения, еще предстоит установить.
Доказано ли существование этих минералов в недрах Земли?
Несмотря на важность результатов, авторы исследования подчеркивают их ограниченность. Лабораторный эксперимент показал, что новые соединения могут образовываться и хранить воду в условиях, характерных для глубокой мантии.
Однако это еще не доказывает, что они действительно существуют в природных условиях внутри Земли. Для подтверждения этого необходимы дополнительные исследования, которые помогут выяснить, формируются ли такие минералы в реальных геологических процессах, в каких количествах они могут присутствовать и насколько стабильно удерживают воду.
Таким образом, открытие двух новых соединений железа не означает, что ученые уже нашли огромное подземное море. Речь идет о потенциальном механизме хранения воды в минералах, который может объяснить часть истории воды на Земле.
Исследование опубликовано в Nature Geoscience и вносит новые доказательства в изучение внутреннего строения планеты, ее водного цикла и возможного сохранения первоначальной воды на протяжении миллиардов лет.