Железосодержащие соединения могут хранить древнюю воду у ядра Земли

Исследователи синтезировали два новых железистых минерала, которые могут существовать на границе между нижней мантией и ядром Земли и служить резервуаром первичной воды, запасённой ещё при формировании планеты. Работа опубликована в журнале Nature Geoscience.

Эксперимент в алмазных наковальнях

Чтобы воспроизвести условия, существующие на глубине около 2900 км, учёные из Байройтского университета и Центра высокого давления HPSTAR поместили образцы в лазерно нагреваемые алмазные наковальни. В ходе экспериментов при давлениях от 78 до 198 ГПа и температурах 2400–2800 К (около 2127–2527 °C) были синтезированы два новых соединения: Fe5O12Hx и Fe7O12Hx — гексагональные гидроксиды железа.

Оба вещества образуются даже при относительно низком содержании воды в среде (в условиях «ненасыщенности водой»). Высокая плотность синтезированных фаз означает, что они склонны к гравитационному оседанию — то есть могут накапливаться именно у границы мантии и ядра, образуя слои.

Возможный ответ на давнюю загадку

Геохимические исследования вулканических пород с Острова Баффин (Канада) и Исландии показывают, что часть воды, присутствовавшей при формировании Земли около 4,5 миллиарда лет назад, могла сохраниться в глубоком мантии по сей день. На это же указывают изотопные аномалии гелия и водорода в горячих мантийных плюмах. Однако до сих пор оставалось неясным, какой именно минерал способен удерживать воду в таких экстремальных условиях.

Что делает новые соединения перспективными кандидатами на роль «хранилища»:

• Они стабильны при давлениях и температурах нижней мантии у границы с ядром.
• Они могут содержать как первичную воду (сохранившуюся с эпохи магматического океана), так и воду, принесённую погружающимися океаническими плитами.
• Высокая плотность способствует их концентрации в сейсмически аномальных зонах на границе мантия–ядро (так называемые ULVZ — зоны сверхнизких скоростей).
• Их нестабильность при определённых условиях может объяснять периодическое высвобождение летучих веществ в восходящие мантийные плюмы и вулканические источники.

Важная оговорка

Авторы подчёркивают, что данный резервуар воды не обнаружен непосредственно внутри Земли — он установлен в лабораторных условиях. Новые соединения рассматриваются как вероятные кандидаты на существование в природе, что необходимо проверять косвенными геофизическими методами — сейсмическими наблюдениями и изотопным анализом.

Читайте также по теме: возможном влиянии Млечного Пути на рост континентов.

Если Fe5O12Hx и Fe7O12Hx действительно существуют у границы мантии и ядра, это меняет представления о том, как вода циркулировала и продолжает циркулировать в глубинных недрах Земли на протяжении геологических эпох.