Архейский «водный мир» — горячая мантия ранней Земли могла привести к образованию обширного глобального океана

Согласно новым исследованиям, в начале архейского эона (4-3,2 млрд. лет назад) раннюю Землю мог покрывать огромный глобальный океан, что являлось побочным эффектом более горячей мантии, чем сегодня.

По мнению авторов исследования, новые результаты опровергают прежние предположения о том, что размер глобального океана Земли оставался неизменным с течением времени, и дают представление о том, как его размер мог меняться на протяжении геологического времени.

Большая часть поверхностных вод Земли находится в океанах. Однако в недрах Земли существует второй резервуар воды — в виде водорода и кислорода, прикрепленных к минералам в мантии.

В новом исследовании, опубликованном в журнале AGU Advances, где публикуются высокоэффективные исследования и комментарии по наукам о Земле и космосе, дается оценка того, сколько воды потенциально может содержаться в мантии сегодня и сколько воды могло храниться в ней в прошлом.

Полученные результаты позволяют предположить, что, поскольку ранняя Земля была более горячей, чем современная, ее мантия могла содержать меньше воды, поскольку при более высоких температурах мантийные минералы удерживают меньше воды. Если предположить, что в настоящее время масса мантии более чем в 0,3-0,8 раза превышает массу океана, то в раннем архее мог существовать более крупный поверхностный океан. В то время температура мантии составляла около 1900-3000 градусов Кельвина (2960-4940 градусов по Фаренгейту) по сравнению с 1600-2600 градусами Кельвина (2420-4220 градусов по Фаренгейту) в настоящее время.

По мнению авторов, если на ранней Земле океан был больше, чем сегодня, то это могло изменить состав ранней атмосферы и уменьшить количество солнечного света, отражаемого в космос. Эти факторы могли повлиять на климат и среду обитания, в которой зародилась первая жизнь на Земле.

«Иногда легко забыть, что глубокие недра планеты на самом деле важны для того, что происходит на ее поверхности», — говорит Ребекка Фишер, физик минералов из Гарвардского университета и соавтор нового исследования. «Если мантия может вместить только столько воды, то она должна куда-то деваться, поэтому то, что происходит в тысячах километров под поверхностью, может иметь довольно серьезные последствия».

В течение последних 541 млн. лет уровень моря на Земле оставался достаточно постоянным. Однако оценить уровень моря в более ранние периоды истории Земли сложнее, поскольку от архейского эона сохранилось мало свидетельств. В течение геологического времени вода может перемещаться из поверхностных слоев океана во внутренние благодаря тектонике плит, однако размеры этого потока воды изучены недостаточно хорошо. Из-за недостатка информации ученые предполагали, что размер Мирового океана остается постоянным в течение геологического времени.

В новом исследовании соавтор Цзюньцзе Донг, физик минералов из Гарвардского университета, разработал модель для оценки общего количества воды, которое может потенциально хранить мантия Земли в зависимости от ее температуры. Он использовал существующие данные о том, сколько воды могут хранить различные минералы мантии, и рассмотрел, какие из этих 23 минералов могли находиться на разных глубинах и в разное время в прошлом Земли. Затем он и его соавторы соотнесли эти оценки запасов с объемом поверхностного океана по мере остывания Земли.

Дзюн Коренага, геофизик из Йельского университета, не принимавший участия в исследовании, отметил, что это первый случай, когда ученые связали данные физики минералов о запасах воды в мантии с размерами океана. «Раньше такая связь не поднималась», — сказал он.

Донг и Фишер отмечают, что их оценки вместимости воды в мантии содержат много неопределенности. Например, ученые не до конца понимают, сколько воды может храниться в бриджманите — основном минерале мантии.

Новые данные проливают свет на то, как мог изменяться глобальный океан с течением времени, и могут помочь ученым лучше понять водные циклы на Земле и других планетах, что может оказаться ценным для понимания того, где может развиваться жизнь.

«Безусловно, полезно знать что-то количественное об эволюции глобального водного бюджета», — сказала Сюзан ван дер Ли, сейсмолог из Северо-Западного университета, не принимавшая участия в исследовании. «Я думаю, что это важно для таких тонких сейсмологов, как я, которые делают снимки текущей структуры мантии и оценивают содержание в ней воды, но это также важно для тех, кто охотится за водоносными экзопланетами и задается вопросом о происхождении нашей воды».

В настоящее время Донг и Фишер используют тот же подход для расчета количества воды, которое может содержаться внутри Марса.

«Сегодня Марс выглядит очень холодным и сухим», — говорит Донг. «Но многие геохимические и геоморфологические данные свидетельствуют о том, что на поверхности раннего Марса могло быть некоторое количество воды — и даже небольшой океан, — поэтому интерес к пониманию круговорота воды на Марсе очень велик».

Ссылка: «Constraining the Volume of Earth’s Early Oceans With a Temperature-Dependent Mantle Water Storage Capacity Model», Junjie Dong, Rebecca A. Fischer, Lars P. Stixrude and Carolina R. Lithgow-Bertelloni, 9 марта 2021 г., AGU Advances . DOI: 10.1029/2020AV000323