На около 2900 километра под повърхността на Земята могат да съществуват плътни железосъдържащи минерали, способни да задържат огромни запаси от водород в продължение на милиарди години. Международна група изследователи е синтезирала две досега неизвестни съединения, които остават стабилни при условията на долната мантия, и които биха могли да послужат като хранилище на вода, запазена от времето на образуването на Земята.
Не става дума за подземен океан с течна вода. Водородът е химически свързан в кристалната структура на два железни оксихидроксида – Fe5O12Hx и Fe7O12Hx. Високата плътност на съединенията им позволява да се спускат надолу и потенциално да се натрупват в близост до границата между мантията и ядрото, като остават там в продължение на геоложки епохи.
Fe5O12Hx е способен да задържа особено голямо количество водород. Според изчисленията на изследователите, съдържанието на такъв минерал на ниво от приблизително 1% от масата на мантията теоретично би позволило да се свърже значителна част от предполагаемите запаси от водород в силикатната част на Земята. Авторите не твърдят, че Fe₅O₁₂H_x действително съставлява 1% от мантията: засега става дума за оценка на потенциалния капацитет на минерала. Най-вероятно подобни съединения биха могли да се концентрират в отделни дълбоки области.
За да проверят възможността за съществуването на такива минерали, учените са поставили микроскопични проби в диамантени наковални и са ги подложили на налягане от 78 до 198 гигапаскала, след което ги нагрели с лазери до 2400–2800 келвина, което съответства на около 2100–2500°C. Тези параметри съответстват на условията в най-дълбоките части на мантията. Структурата на образуваните съединения е била изследвана с помощта на синхротронно рентгеново излъчване.
И двата оксихидроксида се образували не само в смеси с голямо количество вода. Изследователите получили съединения и от проби, в които почти нямало вода. Резултатът показва, че дори малко количество водород може да бъде достатъчно за стабилизиране на богатите на водород железни фази при екстремно налягане и температура.Възможният източник на древен водород е свързан с ранната история на планетата. След образуването на Земята над ядрото може да е съществувал т.нар. базален магматичен океан – слой от разтопена материя, който постепенно се е кристализирал с охлаждането на планетата. При такъв сценарий остатъчната стопилка се обогатява с желязо и вода, създавайки подходящи условия за появата на нови оксихидроксиди.
Геохимичните измервания на вулканични скали от Бафиновата земя и от Исландия вече сочеха съществуването на много древен дълбоко разположен източник на вода. Анализът на съотношението на изотопите на водорода показа, че част от веществото в дълбоката мантия е могла да запази химическия си отпечатък, възникнал още в ранните етапи на формирането на Земята. Досега оставаше неясно кои минерали са способни да задържат водород при температурите и наляганията в долната мантия.
Новите съединения са подходящи и за друг механизъм за доставка на вода в дълбините. Заедно с потъващите тектонични плочи водородсъдържащите минерали могат да се потапят в мантията, след което водата преминава между различни минерални фази. През май изследване на естествен железен оксихидроксид, запазен вътре в диамант от бразилския регион Жуина вече показа, че съединения от този клас могат да участват в преноса на вода в дълбоките слоеве на планетата.
Високата плътност на Fe5O12Hx и Fe7O12Hx прави новите минерали интересни не само като възможни резервоари за вода. Авторите на изследването предполагат, че струпванията на оксихидроксиди могат да са свързани със зони с ултраниски скорости на сеизмичните вълни в близост до ядрото. Тези участъци се различават по физичните си свойства от околната мантия, но точният им състав остава предмет на изследвания.
Друга хипотеза свързва дълбоките запаси от водород с вулканизма. При допълнително нагряване богатите на вода железни фази могат да започнат да се топят по-рано от околните силикати и да отделят вода заедно с други летливи вещества. След това част от веществото може да се издигне в състава на мантийните струи и да участва в образуването на магма по-близо до повърхността. Засега съществуването на големи залежи от Fe5O12Hx и Fe7O12Hx в недрата на Земята не е пряко потвърдено. Изследователите са доказали, че такива съединения могат да се образуват и да останат стабилни при условията на дълбоката мантия. Работата предлага правдоподобен минерален механизъм, който може да обясни къде планетата е могла да съхранява част от първоначалния си водород през почти цялата геоложка история.