Вода є основою життя на Землі, але її походження досі залишається не до кінця зрозумілим для науки. Дослідники припускають, що частина води, яка існувала ще на ранніх етапах формування планети, могла зберегтися глибоко всередині Землі. Про це пише Gizmodo.
Де Земля може зберігати воду з часів свого формування?
Нове дослідження, опубліковане в науковому журналі Nature Geoscience, пропонує можливе пояснення такого сценарію. Команда вчених виявила два раніше невідомі сполуки заліза, здатні утримувати воду за надзвичайно високих тисків і температур, характерних для глибоких шарів земної мантії.
Йдеться про сполуки Fe5O12Hx та Fe7O12Hx. Їхні властивості можуть допомогти пояснити, як вода зберігається всередині планети протягом геологічних епох, а також поглибити розуміння внутрішньої будови Землі та її водного циклу.
Вода всередині Землі не обов'язково існує у формі рідини. Значна її частина хімічно зв'язана з мінералами, які містяться в земній корі та мантії. Ця вода відіграє важливу роль у процесах, що відбуваються всередині планети. Вона впливає на рух тектонічних плит, сприяє вулканічній активності та змінює властивості гірських порід.
Водночас науковці досі не мали повної картини того, які саме мінерали здатні утримувати воду протягом тривалого часу за умов нижньої мантії. Нові результати можуть допомогти заповнити цю прогалину.
Як вчені відтворили умови біля ядра Землі
Щоб дослідити здатність мінералів зберігати воду в глибинах планети, науковці провели лабораторні експерименти. Вони відтворили надзвичайно високі тиск і температуру, характерні для внутрішніх шарів Землі. Для цього дослідники помістили крихітні зразки між двома алмазами. Такий метод дає змогу стискати речовину до екстремальних значень тиску. Після цього зразки нагрівали лазерами.
Під час експерименту вдалося досягти:
- Тиску приблизно у 2 мільйони разів вищого за атмосферний тиск на поверхні Землі.
- Температури близько 2 500 градусів Цельсія.
- Умов, подібних до тих, що існують на глибині приблизно 2 900 кілометрів під поверхнею планети.
Ця глибина наближена до межі між мантією та ядром Землі. Саме в цьому регіоні можуть зберігатися надзвичайно щільні мінерали, здатні утримувати воду.
За екстремальних умов у зразках утворилися два раніше невідомі залізні оксигідроксиди – Fe5O12Hx та Fe7O12Hx. Оксигідроксиди – це сполуки, до складу яких входять кисень, водень і метал. У цьому випадку йдеться про залізо, яке може формувати структури, здатні утримувати воду в хімічно зв'язаному вигляді.
Важливо, що нові сполуки утворювалися не лише з початкових матеріалів, багатих на воду. Вони також виникали у зразках, які містили майже немає води.
Це означає, що для їхнього формування може бути достатньо навіть невеликої кількості водню.
Схоже, що навіть дуже невеликі кількості водню достатні для утворення цих багатих на воду сполук заліза, – заявив Леонід Дубровінський, дослідник Баварського дослідницького інституту експериментальної геохімії та геофізики при Байройтському університеті та один із авторів дослідження.
Чи можуть ці мінерали зберігати воду мільярди років
Згідно з дослідженням, нові оксигідроксиди заліза здатні захоплювати й утримувати воду за широкого діапазону умов, характерних для нижньої мантії.
Особливий інтерес становить їхня потенційна здатність зберігати воду різного походження. Йдеться як про первісну воду, яка могла існувати ще під час формування Землі, так і про воду, що потрапляє в глибини планети внаслідок руху тектонічних плит. Тектонічні плити можуть переносити воду з поверхні вглиб Землі. Цей процес називають субдукцією – зануренням однієї плити під іншу. Разом із породами та мінералами частина води може потрапляти в глибші шари мантії.
За словами науковців, нові сполуки мають високу щільність. Через це вони, ймовірно, можуть залишатися поблизу межі між ядром і мантією, утримуючи воду протягом надзвичайно тривалих періодів.
"Ці мінерали також можуть зберігати воду, яку рух тектонічних плит переносить глибоко всередину Землі. Оскільки сполуки дуже щільні, вони, ймовірно, залишатимуться поблизу межі ядра та мантії й утримуватимуть там воду протягом геологічних масштабів часу", – пояснив Ман Ляньцзе, колишній докторант Баварського дослідницького інституту експериментальної геохімії та геофізики та співавтор роботи.
Якщо подібні сполуки справді існують у природних умовах усередині Землі, вони можуть бути частиною давнього резервуара води, який зберігається в мантії ще від часів формування планети.
Це потенційно змінює уявлення про водний цикл Землі. Вода може не лише переміщуватися між океанами, атмосферою, поверхнею та підземними шарами, а й накопичуватися у мінералах на величезних глибинах. Такий резервуар міг би відігравати роль у довготривалому обміні водою між поверхнею та внутрішніми шарами планети. Проте конкретний обсяг води, який здатні зберігати нові сполуки, ще потрібно встановити.
Чи доведено існування цих мінералів у надрах Землі?
Попри важливість результатів, автори дослідження наголошують на їхньому обмеженні. Лабораторний експеримент показав, що нові сполуки можуть утворюватися та зберігати воду за умов, характерних для глибокої мантії.
Однак це ще не доводить, що вони справді існують у природних умовах усередині Землі. Для підтвердження цього необхідні додаткові дослідження, які допоможуть з'ясувати, чи формуються такі мінерали в реальних геологічних процесах, у яких кількостях вони можуть бути присутніми та наскільки стабільно утримують воду.
Отже, відкриття двох нових сполук заліза не означає, що вчені вже знайшли величезне підземне море. Йдеться про потенційний механізм зберігання води у мінералах, який може пояснити частину історії води на Землі.
Дослідження опубліковане в Nature Geoscience та додає нові докази до вивчення внутрішньої будови планети, її водного циклу й можливого збереження первісної води протягом мільярдів років.