Dolny płaszcz Ziemi rozciąga się na głębokościach od 660 do 2900 kilometrów. Jego główne budulce – bridgmanit oraz ferroperyklaz – są niemal całkowicie bezwodne, a inne znane minerały zdolne do wiązania wodoru ulegają destabilizacji w skrajnych temperaturach panujących w najgłębszych partiach globu.
Aby wyjaśnić naturę zagadkowych stref ultraniskich prędkości sejsmicznych (ULVZ) tuż nad jądrem, zespół fizyków minerałów sięgnął po komory z kowadłami diamentowymi ogrzewanymi laserowo. Urządzenia te ściskają mikroskopijne próbki między dwoma diamentami z siłą odpowiadającą ciśnieniom głębokiego wnętrza globu, podczas gdy lasery nagrzewają je do ekstremalnych temperatur.
W warunkach tych naukowcy zidentyfikowali dwa nieznane dotąd tlenowodorotlenki żelaza: Fe5O12Hx oraz Fe7O12Hx. Fazy te okazały się gęstsze od otaczających je skał płaszcza i wyjątkowo stabilne termicznie. Co kluczowe, krystalizowały one nawet przy skrajnym deficycie wilgoci w materiale wyjściowym – stężenia wodoru poniżej 0,1 procenta wystarczały do ich uformowania. Jak zauważa krystalograf Leonid Dubrowinski z Uniwersytetu w Bayreuth, odkrycie to wyjaśnia także naturę zagadkowej „fazy H” z wcześniejszych testów wysokociśnieniowych, która okazała się uwodnionym związkiem żelaza powstałym pod wpływem śladowego zanieczyszczenia wodorem.
Czytaj także: Sześć tajemniczych struktur kryje się we wnętrzu Ziemi. Przechodzące przez nie fale wskazują na anomalie
Wysoka gęstość tych minerałów rzuca nowe światło na ewolucję młodej Ziemi. Gdy pierwotny, bazalny ocean magmy powoli ulegał krystalizacji, nowo powstałe tlenowodorotlenki mogły wychwytywać obecną w stopie wodę – bez względu na to, czy dotarła ona na planetę z planetoidami podczas akrecji, czy nawodniła suchy płaszcz w późniejszym etapie – a następnie opadać pod własnym ciężarem na samą granicę płaszcza i jądra.
Choć badania laboratoryjne dowodzą jedynie możliwości istnienia tych faz, a nie bezpośredniej obecności wewnątrz Ziemi, tworzą one spójny model retencji wody w warunkach, gdzie nie ma mowy o istnieniu wolnej cieczy.
Uwięziona na granicy jądra woda nie musi jednak pozostawać tam na zawsze. Wielkoskalowa cyrkulacja płaszcza może stopniowo wynosić te gęste struktury ku górze. Wraz ze spadkiem ciśnienia minerały ulegają destabilizacji, uwalniając wodę do innych faz mineralnych, skąd za pośrednictwem pióropuszy płaszcza i wulkanizmu powraca ona ku powierzchni.
Jak podkreśla geonaukowiec Alfred Wilson z University of Leeds, choć dokładna pojemność wodna tych związków, dynamika ich powrotu na powierzchnię oraz zachowanie przy kontakcie z ciekłym jądrem wciąż wymagają dalszych analiz, identyfikacja tych faz stanowi przełom w zrozumieniu, w jaki sposób Ziemia zdołała zmagazynować i utrzymać swoje zasoby wody przez miliardy lat.
