Твърдението, че „водата е живот“, е напълно основателно – без нея нито една от познатите форми на живот на Земята не би могла да съществува.
Водата има ключова роля и за изключително бавното движение на земната мантия. Тя прониква в скалните пластове и ги прави достатъчно пластични, за да могат постепенно да се деформират и да се приплъзват един спрямо друг.
Този процес е важен за тектоничния цикъл, който от своя страна допринася за регулирането на климата в геоложки времеви мащаби. Освен това водата подпомага непрекъснатото преобразуване и движение на скалите и летливите съединения в мантията.
„Течната вода е ключов фактор за обитаемостта на Земята“, пише геологът Алфред Уилсън от Университета на Лийдс във Великобритания в коментар към ново изследване на водата във вътрешността на нашата планета.
Как водата е попаднала в земната мантия?
Но как тази вода е достигнала до мантията?
Според един от моделите тя е била донесена на Земята от астероиди и е останала в нейната вътрешност по време на формирането на планетата. Възможно е обаче да се е появила по-късно и да е проникнала в дотогава сухата мантия. Въпросът откъде е дошла водата на Земята продължава да бъде предмет на оживени научни спорове.
Досега учените не знаеха с достатъчна сигурност къде точно се намира тази вода в мантията, която се простира на хиляди километри под земната повърхност.
Новото изследване предполага, че тя вероятно се намира близо до границата между мантията и течното външно ядро. Именно там сеизмичните изследвания са разкрили загадъчни области, известни като „зони с ултраниска скорост“.
Долната мантия се простира от около 660 до 2900 км под повърхността. Смята се, че най-разпространените минерали в нея, сред които бриджманитът и феропериклазът, почти не съдържат вода.
Някои други минерали могат да задържат вода на голяма дълбочина, но много от тях остават стабилни само при необичаен химичен състав или се разпадат под въздействието на високите температури в най-дълбоките части на мантията. Предишни проучвания обаче вече показаха, че водата може да прониква много по-дълбоко във вътрешността на планетата, отколкото се смяташе.
Затова изследователите се насочват към друга възможност.
Два неизвестни минерала могат да задържат огромни количества вода
Учените използват нагрявани с лазер диамантени клетки – устройства, в които миниатюрни проби се притискат между два диамантени върха, разделени от разстояние, приблизително колкото дебелината на лист хартия. Същевременно мощни лазери нагряват пробите, пресъздавайки изключително високите температури и налягания дълбоко във вътрешността на Земята.
Условията на налягане и температура, при които се образуват железните оксихидроксиди. (Yuan et al., Nature Geoscience, 2026)
При тези условия учените идентифицират два неизвестни досега железни оксихидроксида – Fe5O12Hx и Fe7O12Hx, – които биха могли да задържат огромни количества вода.
Експериментите показват, че тези минерални фази могат да съществуват при условията в дълбоките части на мантията. Те обаче не доказват пряко, че такива минерали действително се намират във вътрешността на Земята. Познанията ни за състава на мантията непрекъснато се разширяват – наскоро учени успяха да вземат и най-дълбоката скална проба от земната мантия.
„Идентифицирането на тези железни оксихидроксиди е важно, защото те изглежда представляват плътни и устойчиви фази, способни да улавят и задържат вода при широк диапазон от условия в долната мантия“, пише Уилсън в своя коментар.
Тези минерали се образуват дори при съвсем оскъдни количества вода. В някои от експериментите изходният материал съдържа по-малко от 0,1% вода, но дори тези следи от водород са достатъчни, за да стабилизират новите минерални фази.
Това е важно, защото дълбоката вътрешност на Земята не представлява гигантски подземен океан. Водата там би трябвало да бъде вградена в структурата на минералите – често при условия, в които свободна вода на практика не съществува.
Новооткритите минерали изглеждат необичайно подходящи за тази роля.
И двата са устойчиви при екстремните условия в най-долната част на мантията и са значително по-плътни от заобикалящите ги мантийни скали.
Водата може да е потънала към границата с ядрото
Това означава, че когато първичният разтопен „базален магмен океан“ се е охлаждал и кристализирал в ранната история на Земята, тези съдържащи вода минерали са могли да се образуват и впоследствие да потънат към границата между ядрото и мантията.
Тази вода обаче може да не остане завинаги скрита на подобна дълбочина. Когато мантийната циркулация повлече нагоре съдържащия я материал, понижаването на налягането може да дестабилизира минералите и да освободи водата в други минерални фази.
В крайна сметка част от нея би могла – и вероятно действително успява – да се върне към повърхността чрез мантийните плюмове и вулканичната дейност. Изследванията показват, че водата, проникваща във вътрешността на Земята, може да хидратира мантията и да засилва образуването на магма дори под някои привидно угаснали вулкани.
Отговор на по-стара минераложка загадка
Откритието хвърля светлина и върху друга, по-стара загадка. Минералът, известен като „Н-фаза“ и наблюдаван при предишни експерименти с високо налягане, изглежда съответства на един от новооткритите оксихидроксиди.
Изследователите предполагат, че появата на тази озадачаваща фаза в по-ранните експерименти може да се дължи на следи от водород, попаднали в пробите чрез влагата, а не на образуването на изцяло нов сух минерал.
„Очевидно дори съвсем малки количества водород са достатъчни, за да стабилизират тези силно хидратирани железни съединения“, казва Леонид Дубровински, специалист по физика на минералите и кристалография в Университета на Байройт.
Водният цикъл може да достига чак до земното ядро
Все още остават много големи въпроси без отговор, а според Уилсън картината е „непълна“.
Тепърва трябва да се установи точно колко вода съдържат тези минерали. Не е ясно и какво се случва с тях, когато достигнат границата между ядрото и мантията. Учените все още не знаят колко лесно и за какви периоди водата, съхранявана в тези дълбоко разположени минерали, може в крайна сметка да се върне на повърхността.
Въпреки това откритието подсказва, че водният цикъл на Земята може да достига чак до границата на нейното ядро. Според Уилсън новооткритите минерали „представляват пробив в разгадаването на въпроса как Земята е придобила и запазила своята вода“.
Изследването е публикувано в научното списание Nature Geoscience.
