Ученые обнаружили признаки наличия воды на глубине сотен километров.
Международная исследовательская группа под руководством профессора Университета Гете анализирует алмазные включения.
Международное исследование подтверждает, что в переходной зоне (ПЗ) Земли, расположенной между верхней и нижней мантиями, содержится значительное количество воды. Открытие, сделанное на основе анализа редкого алмаза из Ботсваны, меняет наши представления о внутренней динамике Земли, включая формирование и движение мантийных плюмов, а также поведение субдуцирующих плит.
Пограничный слой между верхней и нижней мантиями Земли известен как переходная зона (ПЗ). Он расположен на глубине от 410 до 660 км (от 255 до 410 миль) под поверхностью Земли. Оливково-зеленый минерал оливин, известный под названием перидот, составляющий около 70% верхней мантии Земли, изменяет свою кристаллическую структуру под действием экстремального давления до 23 000 бар в ПЗ. На глубине около 410 км (255 миль), у верхней границы переходной зоны, он превращается в более плотный вадслеит, а на глубине 520 км (323 мили) — в еще более плотный рингвудит.
«Эти минеральные преобразования существенно затрудняют движение горных пород в мантии», — поясняет профессор Франк Бренкер из Института геонаук при Университете Гете во Франкфурте. Например, мантийные плюмы — восходящие колонны раскаленной породы из глубинной мантии — иногда останавливаются непосредственно под переходной зоной. Движение масс в обратном направлении также останавливается. По словам Бренкера, «субдуцирующим плитам часто бывает трудно прорваться через всю переходную зону. Поэтому в этой зоне под Европой находится целое кладбище таких плит».
Алмаз из Ботсваны показал ученым, что в породе на глубине более 600 км хранится значительное количество воды. Credit: Tingting Gu, Gemological Institute of America, New York, NY, USA
Однако до сих пор не было известно, каковы долгосрочные последствия «всасывания» материала в переходную зону для ее геохимического состава и существуют ли там большие объемы воды. Бренкер поясняет: «Субдуцирующие плиты также несут глубоководные отложения в недра Земли. В этих отложениях может содержаться большое количество воды и CO2. Но до сих пор было неясно, какое количество воды попадает в переходную зону в виде более стабильных, гидрогенных минералов и карбонатов, и поэтому было также неясно, действительно ли там хранятся большие объемы воды».
Современные условия, несомненно, говорят в пользу этого. Плотные минералы вадслеит и рингвудит способны удерживать значительные объемы воды (в отличие от оливина на меньших глубинах), причем настолько, что гипотетически переходная зона может поглотить в шесть раз больше воды, чем в нашем океане. «Итак, мы знали, что пограничный слой обладает огромной способностью накапливать воду», — говорит Бренкер. «Однако мы не знали, действительно ли он это делает».
Ответ на этот вопрос был получен в результате международного исследования. Исследовательская группа проанализировала алмаз из Ботсваны (Африка). Он залегал на глубине 660 км, непосредственно на границе между переходной зоной и нижней мантией, где доминирующим минералом является рингвудит. Алмазы такого происхождения встречаются очень редко, даже среди крайне редких алмазов сверхглубокого происхождения, составляющих всего 1% от всех алмазов. В результате исследований было установлено, что камень имеет высокое содержание воды из-за наличия большого количества включений рингвудита. Также удалось установить химический состав камня.
Он практически полностью совпадал с химическим составом практически всех фрагментов мантийных пород, найденных в базальтах в любой точке мира. Это свидетельствует о том, что алмаз, безусловно, происходит из обычного фрагмента мантии Земли. «В этом исследовании мы продемонстрировали, что переходная зона не является сухой губкой, а содержит значительное количество воды», — говорит Бренкер и добавляет: «Это также приближает нас на один шаг к идее Жюля Верна о существовании океана внутри Земли». Разница в том, что там, внизу, нет океана, а есть гидрослюда, которые, по мнению Бренкера, не ощущаются как влажные и не капают водой.
Впервые водородный рингвудит был обнаружен в алмазе из переходной зоны еще в 2014 году. Бренкер принимал участие и в этом исследовании. Однако определить точный химический состав камня не удалось, поскольку он был слишком мал. Поэтому остается неясным, насколько репрезентативным было первое исследование для мантии в целом, поскольку содержание воды в алмазе могло быть и следствием экзотической химической среды. В отличие от этого, включения в 1,5-сантиметровом (0,6 дюйма) алмазе из Ботсваны, который исследовала группа ученых в настоящей работе, были достаточно крупными, что позволило определить точный химический состав, и это стало окончательным подтверждением предварительных результатов, полученных в 2014 году.
Высокое содержание воды в переходной зоне имеет далеко идущие последствия для динамической ситуации внутри Земли. К чему это приводит, можно судить, например, по поступающим снизу горячим мантийным плюмам, которые застревают в переходной зоне. Там они нагревают богатую водой переходную зону, что, в свою очередь, приводит к образованию новых мантийных плюмов меньшего размера, которые поглощают воду, накопленную в переходной зоне.
Если эти более мелкие богатые водой мантийные плюмы теперь мигрируют дальше вверх и прорывают границу с верхней мантией, то происходит следующее: Вода, содержащаяся в мантийных плюмах, высвобождается, что снижает температуру плавления появляющегося материала. Поэтому он плавится сразу, а не перед выходом на поверхность, как это обычно происходит. В результате горные массы в этой части мантии Земли уже не столь прочны в целом, что придает движениям масс больший динамизм. Переходная зона, которая в иных случаях является барьером для динамики, вдруг становится движущей силой глобальной циркуляции вещества.
Справка: «Hydrous peridotitic fragments of Earth’s mantle 660 km discontinuity sampled by a diamond» Tingting Gu, Martha G. Pamato, Davide Novella, Matteo Alvaro, John Fournelle, Frank E. Brenker, Wuyi Wang and Fabrizio Nestola, 26 September 2022, Nature Geoscience . DOI: 10.1038/s41561-022-01024-y
