Необычный гидросиликат магния помог Земле сохранить ее воду

Профессор Сколтеха Артём Оганов и его китайские коллеги предсказали существование вещества, которого на современной Земле нет, но в прошлом оно могло предопределить эволюцию планеты, сохранив в ее недрах воду, когда вся вода с поверхности была испарена в ходе катастрофических столкновений Земли с другими небесными телами. Об их работе рассказала пресс-служба Сколтеха.

До сих пор неясно, как мировой океан смог пережить бурные первые десятки миллионов лет истории Земли, когда она была раскалена, подвергалась массированной бомбардировке астероидами и даже столкнулась с планетой размером с Марс. Все эти катаклизмы должны были расплавить верхние несколько сот километров и навсегда испарить воду с поверхности. Ученым не было известно такое вещество, которое могло бы на миллионы лет сохранить воду на большей глубине и высвободить ее в более спокойную эпоху.

Научная группа под руководством профессора Нанькайского университета Сяо Дуна в сотрудничестве с Огановым использовала изобретенный последним метод предсказания кристаллических структур USPEX и открыла как раз такое соединение — гидросиликат магния Mg₂SiO₅H₂. Оно содержит 11 % воды по массе и стабильно при крайне высоких температурах и давлении более 2 млн атмосфер — как в ядре Земли. На возможное возражение, что земное ядро состоит в основном из железа, то есть в центре планеты попросту нет тех элементов, из которых состоит гидросиликат магния, у исследователей есть хороший ответ. «Никакого ядра тогда не было: на начальном этапе существования Земли у нее еще не выделилось ядро и ее химический состав был однородным по всему объему. Понадобилось порядка 30 млн лет, чтобы железо сконцентрировалось в центре Земли, образовав ядро нашей планеты, и вытеснило оттуда силикаты в мантию», — рассказывает Артём Оганов.

Получается, что на протяжении первых 30 млн лет часть земной воды была надежно спрятана на глубине нынешнего ядра в виде гидросиликатов. В это время планета переживала наиболее катастрофическую фазу астероидной бомбардировки. А когда закончился процесс формирования ядра, гидросиликаты оказались вытеснены из центральной области планеты в зону более низкого давления, где они нестабильны, и подверглись распаду. Так образовались оксид и силикат магния — из них сейчас состоит мантия — и вода, постепенный подъем которой на поверхность занял еще около 100 млн лет.

Модель сохранения воды в недрах Земли a) на ранних стадиях формирования ядра b) после разделения ядра и мантии. Han-Fei Li et al./Physical Review Letters, 2022

По словам авторов работы, она продемонстрировала, как обманчива бывает человеческая интуиция. Никто не рассматривал силикаты при давлениях ядра, потому что сейчас в ядре нет никаких силикатов. Более того, никто не ожидал, что гидросиликаты могут оказаться стабильны в условиях ядра, ведь считалось, что столь экстремальные температуры и давления «выжимают» из минералов воду, как сок из лимона. Однако точное моделирование материалов с учётом квантовой механики свидетельствует, что такая аналогия не работает.

«Это ещё и история о том, как просуществовавший сущее мгновение в масштабах истории планеты материал колоссально повлиял на эволюцию Земли, — рассказывает Артём Оганов. — Такое положение вещей противоречит привычной геологической интуиции, но если вдуматься, эволюционного биолога ведь таким не удивишь, правда? Для него вполне естественно, что наблюдаемое сегодня многообразие произошло от ныне вымерших видов».

Сяо Дун рассказывает, что это значит с точки зрения планет вне Солнечной системы: «Чтобы экзопланета была обитаемой, нужен стабильный климат, а для этого там должны одновременно существовать и континенты, и океаны. Считалось, что для удовлетворения этому условию массовое содержание воды на планете земного типа, вне зависимости от её размеров, не должно превышать 0,2 %. Наши же результаты подталкивают к выводу, что на массивных планетах такого вида — так называемых суперземлях — всё, вероятно, обстоит иначе. Там стабилизирующие гидросиликат магния давления существуют за пределами ядра, и такие планеты могут сколь угодно долго удерживать большие количества воды в мантии. А значит, на суперземлях могут существовать континенты и океаны при куда более высоком содержании воды, чем ожидалось».

Открытие имеет значение и для понимания магнитосфер планет. «При температурах выше 2 тыс. градусов Цельсия гидросиликат магния проводит электричество: заряд переносят ионы водорода. Высокая электропроводность означает, что наш гидросиликат вносит вклад в магнитное поле суперземель», — говорит Оганов.

Результаты исследования изложены в статье статье, вышедшей в журнале Physical Review Letters.