Недра ранней Земли удержали свою воду

Ранняя Земля получила большую часть своей воды в результате безжалостной бомбардировки богатыми водой астероидами и ледяными кометами. Теперь ученые заявляют, что у молодой планеты был способ удерживать гораздо больше этой воды, чем считалось ранее: породы глубоко в недрах Земли могли содержать до 100 раз больше воды, чем предполагалось, сообщают исследователи 11 декабря в журнале Science. В сумме это составляет, возможно, целый океан воды, когда-то хранившейся в древних мантийных породах.

Эксперименты, воссоздающие недра планеты

С помощью лабораторных экспериментов, воссоздающих экстремальные условия глубокой мантии Земли, геохимик Вэньхуа Лу из Китайской академии наук в Гуанчжоу и его коллеги исследовали, сколько воды мог содержать бриджманит — один из первых минералов Земли. По мере повышения температуры бриджманит был способен включать все больше и больше воды в свою кристаллическую структуру.

«Эти выводы добавляют еще одну важную часть в сложную и многогранную головоломку», — пишет петролог Майкл Уолтер из Carnegie Science в Вашингтоне в сопроводительном комментарии в Science.

Понимание того, как вода была включена в эти древнейшие минералы, говорит он, дает новые ключи к разгадке самых ранних истоков водного цикла Земли — ключа к обитаемости нашей планеты.

Гадейский эон: когда океаны были глубоко внизу

Задолго до того, как поверхность Земли на две трети покрылась океаном, в глубоких породах нижней мантии планеты хранилось огромное количество воды. Почти 4,4 миллиарда лет назад — в древнейшую эру Земли, известную как Гадейский эон — начала формироваться мантия, когда океан магмы, покрывавший планету, медленно остывал и кристаллизовался в горные породы.

Бриджманит был первым и самым распространенным минералом, который образовался в те времена; сегодня он составляет около 60 процентов мантии. Бриджманит формируется в условиях интенсивного нагрева и давления — таких, как внутри планеты. В самых глубоких частях мантии, которая простирается на 2890 километров ниже поверхности, температура может превышать 4000 градусов Цельсия, а давление достигать 700 000 атмосфер.

Как вода попадала в кристаллы

По мере остывания магматического океана некоторые молекулы воды, растворенные в расплавленной породе, попадали в новообразованный бриджманит и оказывались в кристаллической структуре минерала. Это происходит и сегодня: вода уносится в глубины Земли вместе с субдуцирующими тектоническими плитами. Она временно запирается в таких минералах, как бриджманит, и в конечном итоге возвращается на поверхность через вулканические извержения.

Но сколько воды было в глубинах в самые ранние дни Земли? Ответ во многом зависит от того, сколько воды могли удерживать кристаллы бриджманита в тех экстремальных условиях высокой температуры и давления. Поэтому Лу и его коллеги решили воссоздать экстремальные условия нижней мантии с помощью алмазной наковальни с лазерным нагревом. Этот инструмент сжимает образец породы между двумя алмазами для создания интенсивного давления, а затем обжигает образец сфокусированными лазерами.

Результаты: в 100 раз больше воды

Результаты показали, что тепло увеличивало способность бриджманита удерживать воду — что, в свою очередь, позволяет предположить, что самая нижняя часть мантии содержала больше воды, чем несколько более прохладная верхняя мантия. Предыдущие оценки предполагали, что бриджманит был почти сухим, содержащим менее 220 частей на миллион воды по весу; вместо этого, новое исследование предполагает, что существовало значительное глубокое водохранилище.

Со временем, утверждают исследователи, перемешивание тектонических плит и вертикальные выбросы мантийных плюмов помогли перераспределить воду, выведя большую ее часть на поверхность. Но часть этой первозданной воды все еще может находиться глубоко внизу.

Значение для науки

Это открытие меняет наше понимание не только происхождения воды на Земле, но и того, как формировались условия для возникновения жизни. Если глубокие недра планеты с самого начала содержали огромные запасы воды, то водный цикл Земли мог начаться гораздо раньше и быть гораздо более активным, чем предполагалось ранее.

Кроме того, это исследование подчеркивает важность лабораторных экспериментов, воспроизводящих экстремальные условия земных недр. Без таких методов мы никогда бы не узнали, что обычный, казалось бы, минерал способен удерживать в себе целые океаны.

По материалам www.sciencenews.org (Автор Carolyn Gramling)