В недрах Земли содержится огромное количество воды, в несколько раз превышающее объем Мирового океана. Как она туда попала, непонятно, а о ее роли в формировании и современной внутренней динамике планеты можно только строить догадки. Хотя в 2016 году ученые уже уверены в существовании, по крайней мере в прошлом, подповерхностного океана на Плутоне, об обилии воды в мантии Земли достоверно узнали только в 2014 году. Подробнее о неожиданных открытиях, совершенных в том числе с участием российских геофизиков, рассказывает «Лента.ру».
О внутреннем строении Земли ученые знают не так много, как может показаться. Прямые исследования недр планеты исключительно затруднены. Распределение плотности внутри Земли можно оценить, например, наблюдая распространение сейсмических волн — на глубине в несколько десятков километров, на так называемой границе Мохоровичича, их скорость резко увеличивается с 7 до 8 километров в секунду. Это означает, что возмущение вещества перешло из менее плотной среды в более плотную — из коры в верхнюю мантию. В мантии волны тоже распространяются с разной скоростью — на глубине порядка 600 километров происходит замедление, возмущение переходит в зону нижней мантии и затем, на глубине около 2,9 тысячи километров достигает ядра.
Кроме того, помогает изучение минералов, которые когда-то находились в недрах планеты. Именно так и обнаружили подземную воду. В 2014 году международный коллектив геофизиков сообщил в журнале Nature, что в переходном слое между верхней и нижней мантией, на глубине 410-660 километров, имеются обширные запасы воды. Ученые провели рентгеноструктурный, рамановский и инфракрасный анализ образцов оливина, найденных близ реки Сан-Луис в современной Бразилии, и выявили в минерале содержащие воду включения рингвудита.
Вода могла попасть туда только из переходной зоны мантии — на такую возможность ранее указывали теоретические расчеты и эксперименты. Согласно этим данным, оливин при высоких температурах и давлениях, характерных для мантии на глубине 410-660 километров, преобразуется в рингвудит и еще один минерал, вадслеит. Рингвудит и вадслеит поглощают на порядки больше воды, чем оливин — примерно до 2,5 процента их общей массы. В исследованном учеными образце содержалось до 1,5 процента рингвудита. Геофизики сделали вывод, что по крайней мере локально, то есть там, где из оливина возник рингвудит, мантия примерно на один процент по массе состоит из воды. Простые оценки показывают, что в недрах Земли воды хватит как минимум на несколько Мировых океанов.
Это подтвердила другая группа ученых, куда входили и российские специалисты. В 2015 году в журнале Nature они опубликовали статью с результатами исследования рингвудита, найденного в зеленокаменном поясе Абитиби на Канадском щите Северо-Американской платформы. Этот пояс представляет собой один из самых распространенных комплексов пород среднего и позднего архея. В глубину такие комплексы могут достигать 20 километров, в ширину — 200 километров, в длину — тысячу километров. В Канадском щите их шесть. Зеленокаменные пояса формировались на Земле 2,5-3,5 миллиарда лет назад — это указывает на возраст исследованного рингвудита и подземного океана, заключенного в минералы.
Изучая включения в оливине, геофизики выявили повышенное содержание воды в первичных расплавах коматиитов — продуктов вулканических извержений возрастом 2,7 миллиарда лет из пояса Абитиби. Коматииты, скорее всего, образовались в глубинной мантийной струе с потенциальной температурой плюс 1725 градусов Цельсия. Вода в мантийном источнике коматиитов была захвачена из промежуточной мантийной зоны на глубине 620-410 километров. При выполнении этой научной работы российские ученые из Института геохимии и аналитической химии имени Владимира Вернадского Российской академии наук разработали уникальный метод электронно-зондового микроанализа оливина с точностью определения примесных элементов в пять грамм на тонну, первыми в России запустив высокотемпературную (до плюс 1700 градусов Цельсия) экспериментальную установку с контролируемой летучестью кислорода.
Выводы ученых подтвердились. Британские и американские геофизики, проведя множество компьютерных квантово-механических расчетов, показали, что множество гидратированных, то есть включающих в себя воду, минералов, в частности брусит, при высоких давлениях и температурах, таких, как в недрах Земли на глубине 400-600 километров, являются термодинамически устойчивыми. Об этом сообщается в статье, опубликованной в 2016 году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Другой международный коллектив геофизиков проанализировал алмаз, выброшенный примерно 90 миллионов лет назад при извержении вулкана на поверхность Земли близ бразильской реки Сан-Луис. Инфракрасная микроскопия выявила в минерале включения, возникшие при его формировании и связанные с наличием гидроксильных ионов, которые, скорее всего, попали в минерал вместе с водой. Оказалось, что эти включения состоят главным образом из феррипериклаза (магнезиовюстита) — на него приходится примерно пятая часть минеральной фазы нижней, то есть расположенной на глубине 660-2900 километров мантии Земли. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Lithos.
Феррипериклаз состоит из оксидов железа и магния, а также может, при сверхвысоких давлениях и температурах, характерных для нижней мантии, поглощать хром, алюминий и титан. Между тем эти дополнительные включения в минерале не были обнаружены, значит, алмаз возник на глубине около тысячи километров. Таким образом, заключенная в минералы подземная вода находится не только на глубине 600-400 километров, но и в более глубоких слоях мантии.
Вода способна влиять на электропроводность мантии и ее подвижность. Ученые пока не могут точно сказать, почему ее так много в недрах Земли и как она туда попала. Ранее геофизики полагали, что вода внутрь планеты проникает из Мирового океана в результате субдукции — погружения одной литосферной плиты под другую. Аномально высокую концентрацию воды в исследованных минералах таким механизмом не объяснить. Вероятнее всего, подземная вода образовалась при формировании планеты. Прояснить ситуацию ученые попробуют, проанализировав коллекцию коматиитов, собранных в африканской провинции Барбертон. Возраст этих затвердевших древних лав оценивается в 3,3 миллиарда лет.