Значительное количество воды сохранилось в глубоких слоях мантии Земли

Большая часть воды, которая делала Землю пригодной для жизни, возможно, никогда и не выходила на поверхность. Вместо этого значительная её часть могла быть заключена глубоко внутри планеты с самого начала её существования. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Новые данные свидетельствуют о том, что в процессе охлаждения планеты в недра Земли было поглощено количество воды, сопоставимое с объемом современных океанов.

Данное исследование пересматривает устоявшиеся представления о том, где хранилась самая ранняя вода на Земле.

Эксперименты, воссоздающие экстремальные температуры и давление, показывают, что по мере охлаждения Земли из расплавленного состояния глубинные минералы поглощали и удерживали огромное количество воды внутри мантии.

Геологи долгое время пытались объяснить, как на молодой, раскаленной Земле удавалось сохранить достаточно воды для последующего образования стабильных океанов.

Исследовательская группа под руководством Вэньхуа Лу из Китайской академии наук (КАН) отслеживала движение воды между расплавленной породой и твердыми минералами.

Полученные измерения позволили разработать новый способ оценки того, сколько воды оставалось под землей в момент формирования самой ранней земной коры.

Вероятно, ранняя Земля медленно остывала из магматического океана — планетарного слоя расплавленной породы. По мере образования кристаллов растворённой воде приходилось выбирать между тем, чтобы оставаться в расплаве или входить в состав новых минералов, связываясь с кислородом.

Многие модели предполагали, что большая часть этой воды поднялась вверх во время охлаждения, оставив более глубокие слои горных пород практически сухими после затвердевания планеты.

Вероятно, поверхностные океаны сформировались около 4,4 миллиарда лет назад, поэтому то, оставалась ли вода под поверхностью или вырвалась наружу на ранней стадии, могло повлиять на то, как появились эти первые океаны.

Чтобы проверить, могут ли глубинные минералы удерживать воду, исследователи воссоздали экстремальные давления и температуры в лабораторных условиях.

Исследователи сжимали мельчайшие капли стекла в алмазной наковальне, которая измельчает образцы между наконечниками драгоценных камней до тех пор, пока давление не сравняется с давлением, наблюдаемым в глубинах Земли.

Затем лазеры на короткое время нагревали образцы, достигая температур, аналогичных температурам ранней мантии, в то время как давление оставалось достаточно высоким для образования новых кристаллов.

В этих условиях бриджманит — наиболее распространенный минерал в нижней мантии Земли — образовался на ранней стадии кристаллизации расплавленной породы. Вода не осталась в жидком состоянии. Вместо этого водород проник в растущую кристаллическую структуру, образуя связи с атомами кислорода.

Благодаря образованию кристаллов и расплава под высоким давлением, команда смогла напрямую сравнить, сколько воды проникло в бриджманит и сколько осталось в расплавленной породе.

Результаты показывают, что ранняя кристаллизация могла скрывать значительную часть воды Земли глубоко под поверхностью, еще до того, как возник какой-либо океан.

Оказалось, что температура является ключевым фактором, определяющим, куда в конечном итоге попадает вода. При более высоких температурах вода сильнее переходит в бриджманит.

С повышением температуры в кристаллической структуре образуется больше пустых атомных позиций, что позволяет водороду легче встраиваться, чем при более низких температурах.

«Наши результаты показывают, что распределение воды в бриджманите значительно усиливается с повышением температуры», — сказал Лу.

По мере охлаждения Земли с течением времени тот же минерал стал содержать меньше воды. Это изменение открывает путь для медленного возвращения захваченного водорода на поверхность по мере того, как горячие породы поднимаются, плавятся и высвобождают воду в результате вулканической активности.

Вместо того чтобы доставлять всю воду Земли сразу, глубинные хранилища могли бы постепенно, импульсами, питать поверхность в течение длительных периодов времени.

Часть воды может оставаться в неволе миллиарды лет, а это значит, что современные океаны могут не отражать весь водный баланс Земли.

Нижняя мантия простирается почти на 2900 километров над ядром Земли.

Даже небольшое количество водорода в минералах может ослабить химические связи, благодаря чему твердая порода легче течет под действием медленного, длительного напряжения.

Более влажная мантия в глубоких слоях может изменить характер распространения тепла по планете и повлиять на медленное перемешивание, которое приводит в движение конвекцию в мантии.

Эти изменения важны, потому что они влияют на то, когда и как вулканы возвращают воду на поверхность, связывая глубинные водные запасы с долгосрочной пригодностью Земли для жизни.

В глубоких слоях минералов вода редко образует капли. Вместо этого она существует преимущественно в виде гидроксильных групп, где водород связан непосредственно с кислородом внутри кристаллических структур.

Эти незначительные химические изменения снижают температуру плавления и уменьшают прочность горных пород, нарушая нормальные атомные связи.

Поскольку задействованные количества невелики, исследователи полагаются на чувствительные методы химического картирования для отслеживания водорода в отдельных минеральных зернах после экспериментов.

Такая вода не может скапливаться, течь или замерзать, но она все еще может перемещаться, когда минералы разрушаются или плавятся, незаметно формируя внутреннее строение Земли в течение геологического времени.

Редкие алмазы способны улавливать минералы из глубоких недр Земли, предоставляя редкие сведения о движении воды в недрах планеты.

Некоторые содержат рингвудит – разновидность оливина, способную удерживать воду в своей кристаллической структуре.

В одном известном алмазе инфракрасные исследования выявили примерно один процент воды по весу, что свидетельствует о том, что породы, находящиеся глубоко в мантии, могут оставаться гидратированными.

Это открытие было сделано в средней мантийной зоне, но последние результаты продвигают исследование еще дальше, ближе к ядру Земли.

Поскольку прямые образцы из нижней мантии крайне редки, лабораторные эксперименты остаются одним из немногих способов, с помощью которых ученые могут проверить, сколько воды могут хранить эти глубинные минералы.

В совокупности экспериментальные результаты и данные минеральной физики позволяют предположить, что первый круговорот воды на Земле мог начаться под землей, а не только на поверхности.

Тем не менее, наличие воды на ранних стадиях накопления само по себе не гарантирует существования океанов – будущие исследования должны изучить другие глубинные минералы и отследить движение воды во время длительного перемешивания в мантии.