На глубине около 2900 километров могут существовать плотные железосодержащие минералы, способные удерживать огромные запасы водорода на протяжении миллиардов лет. Международная группа исследователей синтезировала два ранее неизвестных соединения, которые остаются устойчивыми при условиях нижней мантии и могут служить хранилищем воды, сохранившейся со времени формирования Земли.
Речь идет не о подземном океане с жидкой водой. Водород химически связан внутри кристаллической структуры двух железных оксигидроксидов Fe5O12Hx и Fe7O12Hx. Высокая плотность соединений позволяет им опускаться вниз и потенциально накапливаться возле границы мантии и ядра, оставаясь там в течение геологических эпох.
Особенно много водорода способен удерживать Fe5O12Hx. По расчетам исследователей, содержание такого минерала на уровне примерно 1% от вещества мантии теоретически позволило бы связать значительную долю предполагаемого запаса водорода силикатной части Земли. Авторы не утверждают, что Fe5O12Hx действительно составляет 1% мантии: пока речь идет об оценке потенциальной емкости минерала. Скорее всего, подобные соединения могли концентрироваться в отдельных глубинных областях.
Чтобы проверить возможность существования таких минералов, ученые поместили микроскопические образцы в алмазные наковальни, сжали их до давления от 78 до 198 гигапаскалей и нагрели лазерами до 2400–2800 кельвинов, примерно 2100–2500 °C. Такие параметры соответствуют условиям в самых глубоких частях мантии. Структуру образовавшихся соединений исследовали с помощью синхротронного рентгеновского излучения.
Оба оксигидроксида возникали не только в смесях с большим количеством воды. Исследователи получили соединения и из образцов, где воды почти не было. Результат показывает, что даже небольшого количества водорода может хватить для стабилизации богатых водородом железных фаз при экстремальном давлении и температуре.
Возможный источник древнего водорода связан с ранней историей планеты. После образования Земли над ядром мог сохраняться так называемый базальный магматический океан, слой расплавленного вещества, который постепенно кристаллизовался по мере охлаждения планеты. Остаточный расплав при таком сценарии обогащался железом и водой, создавая подходящие условия для появления новых оксигидроксидов.
Геохимические измерения вулканических пород с Баффиновой Земли и из Исландии уже указывали на существование очень древнего глубинного источника воды. Анализ соотношения изотопов водорода показал, что часть вещества глубокой мантии могла сохранить химическую подпись, появившуюся еще на ранних стадиях формирования Земли. До сих пор оставалось неясно, какие минералы способны удерживать водород при температурах и давлениях нижней мантии.
Новые соединения подходят и для другого механизма доставки воды в глубины. Вместе с погружающимися тектоническими плитами водородсодержащие минералы могут уходить в мантию, после чего вода переходит между различными минеральными фазами. В мае 2026 года исследование природного железного оксигидроксида, сохранившегося внутри алмаза из бразильского региона Жуина, уже показало, что соединения такого класса способны участвовать в переносе воды в глубокие слои планеты.
Высокая плотность Fe5O12Hx и Fe7O12Hx делает новые минералы интересными не только как возможные резервуары воды. Авторы исследования предполагают, что скопления оксигидроксидов могут быть связаны с зонами ультранизких скоростей сейсмических волн возле ядра. Такие участки отличаются по физическим свойствам от окружающей мантии, однако их точный состав остается предметом исследований.
Еще одна гипотеза связывает глубинный запас водорода с вулканизмом. При дополнительном нагреве богатые водой железные фазы могут начать плавиться раньше окружающих силикатов и высвобождать воду вместе с другими летучими веществами. Затем часть вещества способна подниматься в составе мантийных плюмов и участвовать в образовании магмы ближе к поверхности.
Пока существование крупных залежей Fe5O12Hx и Fe7O12Hx внутри Земли непосредственно не подтверждено. Исследователи доказали, что такие соединения могут формироваться и оставаться устойчивыми при условиях глубокой мантии. Работа предлагает правдоподобный минеральный механизм, который способен объяснить, где планета могла хранить часть своего первоначального водорода на протяжении почти всей геологической истории.