В недрах ранней Земли хранилось огромное количество воды

В самый ранний эре существования Земли, в гадейский период, планета была покрыта глубоким океаном расплавленной магмы. По мере охлаждения магма кристаллизовалась в горную породу. По словам исследователей, эта порода могла содержать количество воды, эквивалентное океану.

Ранняя Земля получила большую часть своей воды благодаря неустанной бомбардировке богатыми водой астероидами и ледяными кометами. Теперь ученые говорят, что у молодой планеты был способ удержать гораздо больше этой воды, чем считалось ранее: породы в глубинах земного недра могли содержать в 100 раз больше воды, чем предполагалось ранее, пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Science. Это может соответствовать объему воды, эквивалентному целому океану, когда-то хранившемуся в древних мантийных породах.

Используя лабораторные эксперименты, воссоздающие экстремальные условия глубокой мантии Земли, геохимик Вэньхуа Лу из Китайской академии наук в Гуанчжоу и его коллеги исследовали, сколько воды может удерживать бриджманит, один из первых минералов Земли. По мере повышения температуры бриджманит смог включить в свою кристаллическую структуру все больше и больше воды.

«Полученные результаты… добавляют еще один важный элемент к сложной и многогранной головоломке», — пишет петролог Майкл Уолтер из Института Карнеги в Вашингтоне. Понимание того, как вода была включена в эти древнейшие минералы, по его словам, дает новые подсказки о самых ранних истоках круговорота воды на Земле, ключевом факторе обитаемости нашей планеты.

Задолго до того, как поверхность Земли на две трети покрылась океаном, в глубоких породах нижней мантии планеты содержалось огромное количество воды. Почти 4,4 миллиарда лет назад — в самую раннюю эру Земли, известную как гадейский эон — мантия начала формироваться, когда магматический океан, покрывавший планету, медленно остывал и кристаллизовался в горную породу.

Бриджманит был первым и наиболее распространенным минералом, образовавшимся в мантии; сегодня он составляет около 60 процентов мантии. Бриджманит образуется в условиях сильного нагрева и давления — например, внутри планеты. В самых глубоких слоях мантии, простирающихся на 2890 километров ниже поверхности, температура может превышать 4000° Цельсия, а давление может достигать 700 000 атмосфер.

По мере охлаждения магматического океана некоторые молекулы воды, растворившиеся в расплавленной породе, проникли в новообразованный бриджманит и оказались в кристаллической структуре минерала. Это происходит и сегодня: вода переносится в глубины Земли вместе с субдуцирующими тектоническими плитами. Она на некоторое время оказывается запертой в таких минералах, как бриджманит, и в конечном итоге возвращается на поверхность в результате вулканических извержений.

Но сколько воды было в глубинах Земли в самые ранние дни? Ответ во многом зависит от того, сколько воды могли содержать кристаллы бриджманита в условиях сильного нагрева и давления. Поэтому Лу и его коллеги решили воссоздать экстремальные условия нижней мантии, используя алмазную наковальню, нагреваемую лазером. Инструмент сжимает образец породы между двумя алмазами, создавая сильное давление, а затем обжигает образец сфокусированными лазерами.

Результаты показали, что нагрев увеличил способность бриджманита удерживать воду, что, в свою очередь, предполагает, что нижняя часть мантии содержала больше воды, чем несколько более холодная верхняя мантия. Предыдущие оценки предполагали, что бриджманит был почти сухим, содержащим менее 220 частей на миллион воды по весу; вместо этого, как предполагает новое исследование, существовал значительный глубинный резервуар. Со временем, говорят исследователи, перемешивание тектонических плит и восходящие потоки мантийных плюмов способствовали перераспределению воды, выведя большую ее часть на поверхность. Но часть этой первобытной воды может все еще находиться там, внизу.