Два синтезированных минерала могут удерживать водород в глубокой мантии

Нижняя мантия занимает большую часть пространства между земной корой и ядром, но её наиболее распространённые минералы удерживают мало водорода. Возникает химический вопрос: какие твёрдые вещества способны включать этот элемент на большой глубине? В минералах водород может встраиваться в кристаллическую решётку — упорядоченное расположение атомов, образующее твёрдое вещество.

Хуншэн Юань (Hongsheng Yuan), Ляньцзе Ман (Lianjie Man), Илья Купенко (Ilya Kupenko) и их коллеги, связанные с Швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH Zurich) и партнёрами, включая Европейский центр синхротронного излучения (ESRF), получили две гексагональные фазы оксигидроксида железа. Исследование опубликовано в Nature Geoscience. Формулы Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ описывают решётки железа и кислорода, содержащие водород; индекс x означает, что количество водорода в структуре может меняться.

Команда сравнила намеренно гидратированные смеси с номинально безводными материалами, содержавшими лишь остаточную адсорбированную влагу. Образцы сжимали в алмазной наковальне и нагревали лазером. В серии опытов давление достигало 198 гигапаскалей (ГПа), то есть примерно двух миллионов атмосферных давлений на уровне моря. Нагревание доходило до 2800 кельвинов (К); шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, а это значение соответствует приблизительно 2527 °C. Эти максимумы были достигнуты в разных опытах серии и не представляют собой единый набор условий образования обеих фаз.

Рентгеновская дифракция позволила выяснить расположение атомов при сжатии. Обе фазы образовывались даже из материала, не насыщенного водой. Этот лабораторный результат указывает на минералы, которые потенциально могут удерживать водород у границы ядра и мантии. Их присутствие в недрах Земли и распространённость пока не измерены непосредственно.

Во втором исследовании рассматривались другой образец и другой вопрос. Каролина Камарда (Carolina Camarda), Фернанда Жервазони (Fernanda Gervasoni), Тиаго Яловицки (Tiago Jalowitzki) и коллеги изучили включение в алмазе из района Жуина в Бразилии; работа опубликована в Scientific Reports. Они использовали синхротронное излучение — интенсивные пучки рентгеновских лучей, создаваемые крупными ускорителями, — чтобы исследовать крошечный материал внутри алмаза без прямого наблюдения мантии. Учёные интерпретировали включение как продукт обратного преобразования другого оксигидроксида железа, связанный с переносом при субдукции: океаническая плита погружается и уносит минералы в глубь Земли.

Институциональная публикация ETH Zurich описывает максимальные параметры опытов, а публикация ESRF поясняет работу его пучковых линий; на просмотренных страницах не указаны персональные авторы. Оба материала рассказывают о работе команды и не служат её независимым подтверждением. Две научные статьи указывают на разные возможности: новые фазы, полученные в лаборатории, и природное свидетельство другого оксигидроксида. Прежде чем связывать Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ с резервуаром у ядра, необходимо обнаружить их в природных образцах и измерить устойчивость и распространённость. В материале Дэмиена Пайна для Live Science от 29 сентября минералог Стив Джейкобсен из Университета Колорадо в Боулдере, не входивший в число авторов исследования, пояснил давление на границе ядра и мантии и потенциальную способность этих фаз удерживать водород; его комментарий не доказывает их природное существование в недрах Земли. Номера 1, 2 и 3 обозначают соответственно лабораторный синтез, природное включение и гипотетический резервуар; пунктир показывает предполагаемые, а не наблюдавшиеся пути.