Vědci už roky zkoumají, zda přechodová zóna mezi svrchním a spodním pláštěm může fungovat jako planetární rezervoár vody. Pokud ano, pak voda není jen to, co vidíme na povrchu. Je také skrytou součástí hornin, které leží stovky kilometrů pod našima nohama.
Oceán, který není oceán
Když se v populárních textech objeví formulace, že vědci našli „oceán hluboko pod Zemí“, zní to jako scéna z Verneovy cesty do středu Země. Jenže přesnější realita je ještě podivnější. Nejde o podzemní moře v obrovské dutině, jak by se na první pohled zdálo.
V hloubkách kolem 410 až 660 kilometrů, v takzvané přechodové zóně zemského pláště, mohou některé minerály obsahovat vodu ve své krystalové struktuře. Ne jako kapalinu, ale v podobě vodíku a hydroxylových skupin navázaných v minerálních mřížkách.
Právě v tom je hlavní rozdíl mezi vědeckým objevem a virální zkratkou. Představa skrytého oceánu je lákavá, ale zavádějící. Správnější je mluvit o horninách, které mohou nést obrovské množství vody uvnitř sebe. Už v roce 2014 publikoval tým vedený Brandonem Schmandtem a Stevenem Jacobsenem studii v časopise Science, která spojila seismická pozorování s vysokotlakými laboratorními experimenty a ukázala, že u horní hranice spodního pláště může docházet k tavení souvisejícímu s uvolňováním vody z minerálů přechodové zóny.
Ringwoodit: minerál, který drží vodu v kameni
Hlavní roli v tomto příběhu hraje ringwoodit. Jde o vysokotlakou formu olivínu, minerálu, který je běžný v zemském plášti, ale ringwoodit se stabilně vyskytuje až za extrémních tlaků a teplot hluboko uvnitř planety. Pro geology je důležitý proto, že dokáže do své struktury zabudovat významné množství vody. Nejde přitom o kapky uzavřené v pórech, ale o atomární měřítko: voda je chemicky vázaná do minerální mřížky.
Silný důkaz přišel v roce 2014, kdy vědci popsali ringwoodit uvězněný v diamantu z brazilské oblasti Juína. Diamant fungoval jako geologická kapsle, která vynesla minerál z hloubek přechodové zóny na povrch, aniž by se úplně přeměnil.
Studie publikovaná v Nature uváděla, že nalezená inkluze ringwooditu byla bohatá na vodu a že to podporuje představu, podle níž může být přinejmenším část přechodové zóny zemského pláště hydratovaná.
Kolik vody se tam může skrývat?
Některé popularizační texty uvádějí, že pokud by byla přechodová zóna nasycená vodou v dostatečné míře, mohla by obsahovat množství srovnatelné s jedním až několika povrchovými oceány. Často se objevuje i tvrzení o trojnásobku vody ve všech oceánech na povrchu. Tato formulace vychází z odhadů kapacity minerálů, hlavně ringwooditu a wadsleyitu, ale neznamená, že vědci přímo změřili jednotný globální podzemní oceán.
Přesnější věta by zněla: některé minerály přechodové zóny mají schopnost vázat tolik vody, že pokud by byly vodou významně nasycené ve velkém objemu pláště, šlo by o rezervoár planetárního měřítka. Rozdíl je zásadní. Jedna věc je maximální kapacita minerálů, druhá skutečné množství vody v konkrétních oblastech Země. University of Alberta při popisu nálezu ringwooditu v diamantu upozornila, že objev podporuje existenci velkých zásob vody v hloubkách zhruba 400 až 700 kilometrů, ale zároveň jde o důkaz konkrétního materiálu a konkrétního geologického prostředí, nikoli o mapu celého zemského nitra.
Jak se dá něco tak hluboko vůbec zjistit?
Nikdo nemůže do hloubky 600 kilometrů poslat vrtnou soupravu a odebrat běžný vzorek. Nejhlubší vrty v historii lidstva se dostaly jen do zlomku této vzdálenosti. Vnitřek Země proto vědci čtou nepřímo. Jedním z nejdůležitějších nástrojů jsou seismické vlny, tedy otřesy vznikající při zemětřeseních. Ty se šíří planetou různou rychlostí podle toho, jakým materiálem procházejí. Pokud narazí na oblast s jiným složením, teplotou, částečným tavením nebo jinou mineralogií, jejich chování se změní.
Schmandt a Jacobsen spojili seismická data ze Severní Ameriky s laboratorními experimenty, které napodobovaly tlakové a teplotní podmínky hlubokého pláště. Výsledkem byla interpretace, že v okolí hranice 660 kilometrů může docházet k takzvanému dehydratačnímu tavení.
Jinými slovy: když hydratované minerály přechodové zóny sestupují do spodního pláště, kde jsou jiné stabilní minerální fáze, část vody se z nich může uvolňovat a vyvolat částečné tavení hornin.
Hluboký vodní cyklus: voda, která necirkuluje jen po povrchu
Ve škole se vodní cyklus obvykle učí jako cesta mezi oceánem, atmosférou, deštěm, řekami, ledem a znovu oceánem. Jenže Země má pravděpodobně i mnohem hlubší vodní cyklus. Voda se může dostávat do nitra planety vázaná v minerálech oceánské kůry, která se v subdukčních zónách zasouvá zpět do pláště. Část vody se uvolní už relativně mělko a pomáhá pohánět vulkanismus. Jiná část může pokračovat hlouběji.
Pokud přechodová zóna skutečně funguje jako velký rezervoár vody, znamená to, že voda není jen povrchová vlastnost Země. Je propojená s hlubokou dynamikou pláště, deskovou tektonikou a vulkanismem. Přehledová práce o roli vody v zemském plášti zdůrazňuje, že voda výrazně ovlivňuje tavení, viskozitu, elektrickou vodivost i mechanické chování hornin. Jinými slovy: i malé množství vody ve správném minerálu může změnit způsob, jakým se planeta v geologickém čase pohybuje a vyvíjí.
Proč by skrytá voda mohla vysvětlovat stabilitu oceánů
Jedna z největších otázek planetární vědy zní, proč má Země tak dlouhodobě stabilní povrchové oceány. Voda mohla na mladou Zemi dorazit zčásti s planetesimálami, asteroidy nebo jiným materiálem během formování planety. Zároveň ale mohla být od začátku významně přítomná i uvnitř Země a postupně se uvolňovat ven. Hluboký vodní cyklus by mohl fungovat jako regulační mechanismus: část vody se dostává dolů do pláště, část se v geologickém čase vrací nahoru vulkanismem.
To neznamená, že by jeden objev vyřešil původ všech oceánů. Znamená to spíš, že povrchová voda a vnitřek planety nelze oddělovat tak ostře, jak si člověk intuitivně představuje. Pokud přechodová zóna opravdu dokáže ukládat a znovu uvolňovat vodu v množství planetárního významu, pak oceány nejsou jen „něco nahoře“. Jsou součástí většího systému, který zahrnuje i stovky kilometrů hluboké horniny. Právě proto vědci mluví o hlubokém vodním cyklu jako o jednom z klíčů k pochopení obyvatelnosti Země i jiných kamenných planet.
Skrytá voda může měnit sopky i tektoniku
Voda má v geologii překvapivě silnou roli. Snižuje teplotu tavení hornin, mění jejich pevnost a ovlivňuje, jak snadno se materiál v plášti deformuje. V subdukčních zónách je voda jedním z důvodů, proč vznikají oblouky sopek. Jak se oceánská deska zasouvá do hloubky, uvolňuje vodu do okolního pláště, ten se začne snáze tavit a výsledkem může být magma stoupající k povrchu.
Podobný princip může fungovat i mnohem hlouběji. Studie Schmandta a Jacobsena naznačila, že hydratované horniny přechodové zóny mohou při přechodu do suššího spodního pláště částečně tát. To z přechodové zóny nedělá jen pasivní vrstvu mezi dvěma částmi pláště, ale možný filtr, zásobník a chemický regulátor. Voda tam není dekorace. Je to látka, která může ovlivňovat pohyb hmoty uvnitř planety.
Proč je populární formulace tak svůdná
Představa „oceánu 400 mil pod nohama“ se šíří snadno, protože je vizuálně dokonalá. Člověk si okamžitě představí temné moře pod kontinenty, možná dutiny, podzemní příliv nebo skrytou planetu pod planetou. Jenže právě tato představa je špatně. Voda v ringwooditu je mnohem méně filmová, ale vědecky důležitější. Je skrytá v chemii minerálu, nikoli v otevřeném prostoru.
Přesto není nutné ten obraz úplně zahodit. Slovo „oceán“ může fungovat jako metafora množství, pokud hned vysvětlíme, že nejde o kapalnou vodní plochu. V tomto smyslu je skrytý vodní rezervoár hluboko v Zemi možná ještě zajímavější než pohádkové podzemní moře. Ukazuje totiž, že voda nemusí být viditelná, aby byla geologicky zásadní. Může být zamčená v kameni a přesto spolurozhodovat o tom, jak planeta funguje.
Co zůstává nejisté
Věda kolem hluboké vody v plášti není uzavřená. Víme, že ringwoodit a další minerály přechodové zóny vodu vázat umějí. Máme vzácné minerální vzorky z diamantů, které potvrzují, že minimálně lokálně může být přechodová zóna hydratovaná.
Máme seismická data, která ukazují oblasti možného tavení souvisejícího s vodou. Stále ale nevíme přesně, jak rovnoměrně je voda rozložená, jak se její množství liší mezi jednotlivými oblastmi planety a jak se hluboký rezervoár měnil v průběhu miliard let.
Pod našima nohama neleží klasický oceán. Neexistuje tam hladina, pobřeží ani skrytý vodní svět, který by čekal na objevení. Přesto může Země ukrývat zásoby vody v měřítku, které se běžné představě vymyká. Jsou uvězněné v minerálech hlubokého pláště, především v přechodové zóně stovky kilometrů pod povrchem. Ringwoodit a příbuzné minerály ukazují, že voda může být součástí samotné stavby planety.
Zdroje: Brandon Schmandt, Steven D. Jacobsen et al.: Dehydration melting at the top of the lower mantle, Science, 2014, D. Graham Pearson et al.: Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond, Nature, 2014, University of Alberta: Rare mineral points to vast “oceans” beneath the Earth, 2014, Northwestern University: New evidence for oceans of water deep in the Earth, 2014, Science Museum: The science behind Mary Shelley’s Frankenstein — nepoužito pro tento článek, Eiji Ohtani: The role of water in Earth’s mantle, National Library of Medicine / PMC, 2019, ScienceDaily: Water-rich gem points to vast “oceans” beneath Earth’s surface, 2014.
