Древний источник земных океанов

В мантии Земли 2,7 млрд лет назад была вода, из которой, возможно, появились океаны

Включение расплава в оливине коматиитов. Иллюстрация предоставлена Александром Соболевым

Исследователи из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН совместно с коллегами из Франции и Германии подтвердили существование залежей воды в мантии Земли и установили, что вода появилась там не позже 2,7 миллиарда лет назад.

В 2014 году канадские ученые опубликовали статью, в которой сообщали о том, что им удалось впервые установить наличие воды в редком минерале рингвудите. Он образуется из оливина — главного минерала мантии Земли — под давлением в сотни тысяч атмосфер. В кристалле рингвудита, заключенном в алмазе, оказалось 1,5% воды в виде гидроксильных групп(OH): в мантии, где температура превышает полторы тысячи градусов по Цельсию, молекулы воды в основном «растворены» в расплавленных горных породах или находятся в ничтожных концентрациях в твердых минералах.

Рингвудит — крайне редкая находка, так как он и его собрат вадслеит «обитают» на большой глубине — 410—660 километров — в так называемой транзитной зоне между верхней и нижней мантией Земли. По данным экспериментов, эти минералы способны содержать в сотни раз больше воды, чем оливин. Если найденный исследователями кристалл рингвудита — типичный представитель транзитной зоны, то в ней, по расчетам ученых, должно содержаться несколько океанов воды.

«Возникает вопрос: когда она там появилась? Данные, опубликованные в 2014 году, получены по включению в алмазе, вынесенном из глубокой мантии около 100 млн лет назад. Возраст этого алмаза и включенного рингвудита неизвестен. Может быть, несколько сот миллионов, а может быть, и несколько миллиардов лет. Наше исследование показывает, что эта вода существовала уже 2,7 миллиарда лет тому назад», — сказал Александр Соболев, ведущий автор статьи с результатами исследования, опубликованной в журнале Nature.

Как «заглянуть» в земную мантию

Для того чтобы оценить возраст залежей воды в мантии, Соболев и его коллеги исследовали магматическую породу коматиит. Напрямую пробурить скважину глубиной сотни километров и взять образцы магмы невозможно. Поэтому в распоряжение исследователей попадают образцы магмы из транзитной зоны, которые вышли на поверхность в составе мантийных плюмов — горячих потоков в основном твердого пластичного вещества, поднимающихся в мантии от ядра Земли к ее поверхности со скоростью до нескольких метров в год.

Образцы коматиитов исследователи собирали в зеленокаменном поясе Абитиби в Канаде. Там находятся остатки древней океанической коры, значительно деформированные и измененные за миллиарды лет.

Включение расплава в оливине коматиитов. Иллюстрация предоставлена Александром Соболевым


«Мы ищем остатки оливинов в этих породах и заглядываем внутрь них, чтобы найти включения расплава, которые были захвачены 2,7 миллиарда лет назад. Эти капельки расплава размером тоньше человеческого волоса дают нам нужную информацию, так как сохранились в оливине нетронутыми. В них-то мы и нашли воду в количестве 0,6% — в 20—50 раз более того, что можно было предполагать», — рассказал ученый.

Откуда взялись океаны

Исследователи полагают, что транзитная зона в древности могла служить основным источником воды для океанов на поверхности Земли.

Современные мантийные плюмы холоднее тех, что были миллиарды лет назад, коматииты же, образовавшиеся более 2,5 миллиарда лет назад, представляют собой высокую степень плавления мантии. Более горячие плюмы, проходя через транзитную зону, захватывали из нее воду и «тащили» с собой на поверхность, в то время как более холодные плюмы в наше время проходят через транзитную зону, практически не обмениваясь с ней веществом.

«Древние плюмы были на 200 градусов горячее, чем современные: 1800 против 1600 градусов Цельсия. Этих 200 градусов достаточно, чтобы плюмы были частично расплавлены в транзитной зоне. В таком случае расплав вбирает в себя воду и выносит ее на поверхность. А современные плюмы выносят воду из нижней мантии, где ее не очень много», — пояснил Соболев.

Как и когда вода попала в мантию?

До сих пор считалось, что вода попадает в глубокую мантию Земли в результате процесса субдукции. Земная поверхность состоит из литосферных плит. Плиты постоянно движутся, хотя и очень медленно — сантиметры в год, образуя непрерывный конвейер, наращиваясь в срединно-океанических хребтах с одной стороны и погружаясь одна под другую (это и называется субдукцией) с другой. Уходя вниз, плита уносит с собой то, что было на ее поверхности, в том числе «тащит» за собой воду в составе водосодержащих минералов, образующихся на дне океанов. Часть этой воды в конце концов попадает в переходную зону земной мантии, где сохраняется в глубинных родственниках оливина — рингвудите и вадслеите.

«Однако движение литосферных плит на Земле, по-видимому, началось не сразу. По крайней мере, 3 миллиарда лет назад, а может быть даже позже. А мы показали, что избыток воды уже был в переходной зоне 2,7 миллиарда лет тому назад. Что-то не сходится: либо тектоника плит началась раньше, либо вода туда попала с самого начала образования Земли. Это один из основных вопросов, которые появились в результате нашего исследования», — объяснил ученый.

Для того чтобы исследовать этот вопрос, Соболев и его коллеги в настоящее время проводят аналогичное исследование на коматиитах возрастом 3,5 миллиарда лет из Южной Африки.

«Я думаю, что вода, вероятно, была занесена астероидами или кометами на ранней стадии образования Земли, около четырех миллиардов лет назад, когда планета уже сформировалась в виде шара. Вопрос, когда именно это произошло и сколько воды, пока не решен, но я думаю, что мы его поднимем в самое ближайшее время. В этом нам помогает поддержка Российского научного фонда и исключительные современные возможности анализа микроскопических количеств вещества», — заключил исследователь.
Теги:

Читать еще на Чердаке: