„Woda w głębi Ziemi” nie oznacza podziemnego oceanu

Jak skała może „zawierać wodę”, pozostając sucha

W języku codziennym woda kojarzy się z cieczą w porach albo zbiorniku. W głębokim płaszczu sytuacja może wyglądać inaczej. Atomy wodoru mogą zastępować część atomów w sieci krystalicznej minerału i występować jako defekty związane z grupami hydroksylowymi. Kryształ może więc zawierać chemicznie związaną wodę, choć nie ma w nim kropli płynu. Minerały wysokociśnieniowe strefy przejściowej, zwłaszcza wadsleyit i ringwoodyt, mogą magazynować znacznie więcej takiego wodoru niż typowe minerały płytszego górnego płaszcza.

Diament przyniósł pierwszy naturalny ringwoodyt

Ringwoodyt był dobrze znany z eksperymentów laboratoryjnych i z niektórych meteorytów, lecz przez lata nie znaleziono go jako ziemskiego minerału zachowanego z głębokiego płaszcza. Przełomem był diament z Brazylii opisany w 2014 roku. Zamknięty w nim mikroskopijny ringwoodyt zawierał około 1% masy wody. Ponieważ ringwoodyt jest stabilny w zakresie ciśnień odpowiadającym mniej więcej środkowej części strefy przejściowej, znalezisko dostarczyło bezpośredniego dowodu, że w tym konkretnym obszarze płaszcza znajdował się istotnie uwodniony materiał.

Skąd wzięły się nagłówki o „oceanie pod Ziemią”

Pojemność magazynowania wody przez minerały strefy przejściowej jest ogromna, ponieważ warstwa ta obejmuje całą planetę i ma setki kilometrów grubości. Gdy przemnoży się nawet niewielki procent masowy przez tak wielką masę skał, otrzymuje się ilości porównywalne z wodą w oceanach powierzchniowych. Nie oznacza to jednak, że cała strefa przejściowa jest jednakowo nasycona ani że rzeczywiście zawiera maksymalną możliwą ilość wody. „Może pomieścić” i „zawiera” to dwa różne twierdzenia, a pojedynczy diament reprezentuje lokalną próbkę, nie globalny pomiar.

Dlaczego ta związana woda ma znaczenie

Nawet niewielkie ilości wodoru mogą zmieniać właściwości minerałów. Woda wpływa na temperatury topnienia, lepkość i deformację skał, a więc potencjalnie także na dynamikę płaszcza. Jest również częścią głębokiego obiegu wody: płyty subdukcyjne transportują uwodnione minerały w dół, a procesy topnienia i wulkanizm mogą przenosić wodę z powrotem ku powierzchni. Badanie wodoru w płaszczu łączy więc mineralogię wysokociśnieniową z historią oceanów i obiegiem materii całej planety.

Pojemność minerału nie mówi, ile wody naprawdę znajduje się w płaszczu

Laboratorium może określić maksymalną ilość wodoru, jaką wadsleyit lub ringwoodyt potrafi przyjąć w określonym ciśnieniu i temperaturze. Jest to jednak pojemność magazynowa, nie pomiar rzeczywistego nasycenia całej warstwy Ziemi. Naturalny płaszcz jest niejednorodny, a zawartość wody zależy od historii dopływu materiału, temperatury i lokalnych procesów. Stwierdzenie, że strefa przejściowa „mogłaby pomieścić kilka oceanów”, opisuje potencjał minerałów pomnożony przez wielką masę warstwy. Nie dowodzi, że taka ilość rzeczywiście jest tam obecna.

Przemiana minerałów może wypuszczać wodę i ułatwiać topienie

Gdy uwodniony materiał przekracza granice, przy których zmieniają się stabilne fazy mineralne, zdolność skały do magazynowania wodoru może gwałtownie się zmienić. Nadmiar wody może wtedy zostać uwolniony i obniżyć temperaturę, przy której skała zaczyna się częściowo topić. Taki mechanizm jest jednym z powodów, dla których rozmieszczenie wody w strefie przejściowej jest ważne dla dynamiki płaszcza. Nawet bez żadnego ciekłego „oceanu” wodór związany w kryształach może wpływać na topnienie, lepkość i transport materii w ogromnej części wnętrza Ziemi.