Охота на глубоко спрятанные океаны Земли

Охота на глубоко спрятанные океаны Земли

Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Пара сотен бриллиантов размером с гальку, извлеченных из бразильской грязи, находятся в сейфе Северо-Западного университета. Некоторые могут считать их бесполезными. «Они разбиты», - сказал Стив Якобсен, минералог из Северо-запада. «Они выглядят так, словно прошли через стиральную машину».

Тем не менее, эти фрагменты кристаллического углерода очень ценны, но не из-за самого алмаза, а из-за того, что спрятано внутри: частички минералов, созданных в сотнях километров под землей.

Эти минеральные частицы - некоторые слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже под микроскопом – дают возможность заглянуть внутрь Земли. В 2014 году исследователи мельком увидели нечто, вкрапленное в эти минералы, которое, если бы не глубокое происхождение, было бы ничем не примечательным: воду.

Не капли воды и даже не молекулы H20, но ее компоненты, атомы водорода и кислорода, встроенные в кристаллическую структуру самого минерала. Этот водный минерал не мокрый. Но когда он тает, появляется вода. Открытие было первым прямым доказательством того, что богатые водой минералы расположены так глубоко, внизу между 410 и 660 километрами, в области, называемой переходной зоной, зажатой между верхней и нижней мантией.

С тех пор ученые привели другие доказательства воды. В марте группа объявила, что они нашли алмазы из мантии Земли, внутри которых находится настоящая вода. Некоторые ученые утверждают, что глубоко, под нашими ногами, может скрываться огромный резервуар с водой. Если мы рассмотрим все поверхностные воды планеты как один океан, а под землей окажется даже несколько океанов, это изменит все представление ученых о внутренней части Земли. Но это также поднимает другой вопрос: откуда все это могло взяться?

Мир воды

Без воды жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы. И наша живая планета. Вода играет неотъемлемую роль в тектонике плит, помогая частям верхней мантии течь более свободно. Тем не менее, большая часть мантии относительно сухая. Например, верхняя мантия в основном состоит из минерала оливина, который не может содержать в себе много воды.

Но ниже 410 километров в переходной зоне высокие температуры и давления сжимают оливин в новую кристаллическую конфигурацию, называемую вадслеитом. В 1987 году Джо Смит, минералог из Университета Колорадо, понял, что кристаллическая структура вадслеита будет искажена пробелами. Эти пробелы идеальны для атомов водорода: они могут расположиться в этих дефектах и соединиться с соседними атомами кислорода.

В глубине переходной зоны вадслеит становится рингвудитом. А в лаборатории Якобсен (который был выпускником Смита в 1990-х годах) сжимал и нагревал кусочки рингвудита, чтобы имитировать экстремальные условия переходной зоны. Исследователи, проводящие аналогичные эксперименты как с вадслеитом, так и с рингвудитом, обнаружили, что в переходной зоне эти минералы могут удерживать от 1 до 3 процентов своего веса в воде.

Эти эксперименты, однако, только измеряют объем воды. «Это не показатель того, насколько влажная губка, а показатель того, сколько воды губка может поглощать», - говорит Венди Панеро, геофизик из Университета штата Огайо.

Но эти эксперименты не были реалистичными, поскольку исследователи могли тестировать только выращенный в лаборатории рингвудит. Кроме нескольких метеоритов, никто никогда не видел рингвудит в природе. То есть до 2014 года.

Волнующие подсказки

В то время как футбольные фанаты в 2014 году собрались в Бразилии, небольшая группа геологов направилась на сельскохозяйственные земли около Хуины, города, расположенного почти в 2000 километрах к западу от Бразилии. Они искали алмазы с местных рек.

Когда алмазы образуются в жаре и при высоком давлении мантии, они могут привлекать кусочки минералов. Поскольку алмазы очень прочные и жесткие, они сохраняют эти мантийные минералы.

Исследователи купили более тысячи кристаллов, заполненных минералами. Один из ученых, Грэм Пирсон, забрал несколько сотен в свою лабораторию в Университете Альберты, где внутри одного конкретного алмаза он и его коллеги обнаружили рингвудит из переходной зоны. Он содержал воду - около 1 процента по весу.

«Это важное открытие с точки зрения правдоподобия», - сказал Брэндон Шмандт, сейсмолог из Университета Нью-Мексико. Впервые у ученых был образец переходной зоны - и он был гидратирован. «Поэтому мысли о том, что другие части переходной зоны также гидратированы – это не безумие».

Но, он добавил, что «было бы немного глупо думать о том, что один кристалл представляет собой среднее значение всей переходной зоны». В конце концов, алмазы образуются только в определенных условиях, и этот образец может быть взят из уникально места.

Шмандт объединился с Якобсеном и другими, чтобы найти ответы с помощью сейсмических волн. Из-за конвекции водный рингвудит может тонуть, и когда он падает ниже переходной зоны, повышающееся давление выжимает воду, вызывая плавление минерала. Непосредственно под переходной зоной, где опускается мантийный материал, эти скопления расплавленных минералов могут резко замедлять сейсмические волны. Измеряя скорости сейсмических волн в Северной Америке, исследователи обнаружили, что такие бассейны действительно распространены ниже переходной зоны. Другое исследование, измеряющее сейсмические волны под Европейскими Альпами, обнаружило похожую картину.

Команда под руководством Оливера Чаунера, минералога из Университета Невады, Лас-Вегас, обнаружила алмазы с настоящими кусочками водяного льда - первое наблюдение свободно существующей H2O из мантии. Образцы могут сказать больше о влажных условиях, которые образовали алмаз, чем о существовании какого-либо повсеместного резервуара.

Происхождение

Существует стандартная история. Область вокруг Солнца, где образовалась планета, была слишком горячей для конденсации таких летучих соединений, как вода. Таким образом, зарождающаяся Земля начала высыхать, но богатые водой тела из далекой Солнечной системы ударили планету, доставив воду на поверхность. Большинство из них, вероятно, были не кометами, а скорее особенными астероидами, которые могут содержать до 20 процентов воды по весу, сохраняя ее в форме водорода, подобного рингвудиту.

Но если в переходной зоне имеются огромные запасы воды, то история происхождения воды должна измениться. Если бы переходная зона могла хранить 1 процент своего веса в воде - по умеренным оценкам, сказал Якобсен, - в ней было бы вдвое больше воды, чем в океанах мира. В коре тоже есть вода.

Все же общее количество воды в мантии - очень неопределенное число.

На верхнем конце, мантия может содержать в два или три раза больше воды, чем в океанах. Если бы ее было намного больше, дополнительное тепло более молодой Земли сделало бы мантию слишком водной и жидкой, и сегодняшняя тектоника плит, возможно, никогда бы не образовалась. «Если у вас на поверхности много воды, это здорово», - говорит Джун Коренага, геофизик из Йельского университета. «Если у вас есть много воды в мантии, то это не здорово».

Но остается много вопросов. Один большой вопросительный знак - нижняя мантия, где экстремальные давления превращают рингвудит в бриджманит, который вообще не может удерживать много воды. Недавние исследования, однако, предполагают наличие новых водоносных минералов, названных фазой D и фазой H. Каковы эти минералы и сколько воды они могут хранить – открытый вопрос, сказал Панеро. «Поскольку это открытый вопрос, я думаю, что содержание воды в мантии остается открытым для обсуждения - широко открытым».