В поисках подземных океанов Земли

Вода, хранящаяся во внутренних слоях Земли, может быть более обильной, чем думали ученые раньше.

При экстремальных температурах и давлениях, существующих далеко под землей, вода распадается на составляющие ее элементы, водород и кислород, которые химически связаны с кристаллической структурой породы. Но для геофизиков это все еще вода, независимо от формы, которую она принимает. Сколько же этой воды захоронено под поверхностью?

Глядя под скалы

В начале карьеры геофизика Стивена Якобсена его научным руководителем был Джозеф Смит, геолог, который продемонстрировал, что минерал, называемый вадслеитом, теоретически может содержать значительное количество воды. Вадслеит и его родственник, рингвудит, являются двумя основными компонентами переходной зоны между верхней и нижней мантией Земли — примерно на 400-660 км ниже поверхности. Когда он приступил к собственным исследованиям в середине 1990-х годов, Якобсен хотел знать: сколько воды на самом деле может храниться в этих обильных минералах?

---

Поскольку вадслеит и рингвудит обычно не существуют на поверхности, Якобсен провел почти 15 лет, синтезируя их в своей лаборатории, моделируя условия высокой температуры и высокого давления, обнаруженные за сотни км ниже поверхности нашей планеты. Он изучил эти выращенные в лаборатории минералы, чтобы определить, как быстро сейсмические волны могут проходить через образцы, содержащие различное количество воды — информацию, которую он позже использовал для оценки содержания воды в подземных породах.

---

Он подтвердил, что минералы действительно могут содержать заметное количество элементов воды, включенных в структуру камней «как вода или молоко, выпекаемое в пирог». Но поскольку его оценки были намного выше, чем большинство экспертов считали правдоподобными, он не решался публиковать свои результаты, пока не проверил их.

Все изменилось в 2014 году, когда Грэм Пирсон из Университета Альберты сообщил о своем исследовании крошечного алмаза, добытого в Бразилии. Образованный в переходной зоне, алмаз имел крошечный кусочек рингвудита внутри. И в этом рингвудите? Около 1 процента воды от общего веса.

Это может показаться не таким уж большим процентом, но учитывая распространенность этого минерала в переходной зоне, Якобсен подтвердил свою гипотезу о том, что в переходной зоне много H2O. Между тем эксперименты Якобсена показали, что присутствие воды в рингвудите понизит температуру плавления горной породы в основании переходной зоны. Это означает, что водоносная порода там с большей вероятностью содержит жидкие пятна — не потому, что она влажная, а потому, что ее части расплавлены. Примерно в то же время Якобсен к тому времени на своей нынешней должности в Северо-Западном университете объединился с геофизиком Университета Нью-Мексико Брэндоном Шмандтом. Шмандт изучал мантию с помощью USArray, которая включает в себя сеть из 400 портативных сейсмографов. «Если в мантии так много воды», — сказал Якобсен Шмандту, — «там должны быть расплавы» — кусочки магмы смешались в твердой породе.

Собирая свои данные, исследователи выявили обширные участки расплавленного материала в пределах переходной зоны и чуть ниже ее — результаты, которые были опубликованы через три месяца после открытия алмазов Пирсоном. К тому времени стало все яснее, заключил Якобсен, что «переходная зона полна воды».

Сколько воды? Если образец рингвудита является репрезентативным, это означает, что воды примерно в два раза больше, чем во всех океанах на поверхности Земли, говорит он. Только одна из этих «океанических масс» соответствует примерно 1,5 миллиарда миллиардов тонн (или более 350 миллиардов миллиардов галлонов) .

И дело далеко не закрыто: признаки дополнительной воды с тех пор были найдены как выше, так и ниже переходной зоны. В 2016 году Якобсен, на этот раз работавший вместе с Пирсоном, получил еще один бриллиант из глубин Бразилии. Этот камень был добыт более чем в 900 км вниз в нижней мантии, а затем взлетел на поверхность в результате извержения вулкана около 90 миллионов лет назад.

Вместо рингвудита этот алмаз имел дефект, состоящий из ферропериклаза — одного из основных компонентов нижней мантии. Ферропериклаз содержал лишь небольшую долю воды по весу. Но учитывая размер нижней мантии, составляющей половину общей массы планеты, Якобсен полагает, что в нем может находиться еще одна океанская масса воды, распределенная среди скал этого слоя.

Под морем

Вся эта вода под поверхностью Земли не просто сидит на месте: она движется, тянется вместе с тектоническими плитами. Большое известие пришло в 2018 году от Дуга Винса и его коллег из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, которые следили за Марианской впадиной — впадиной, которая включает в себя самую низкую точку океанов, глубиной около 11 км. Там Тихоокеанская плита погружается далеко под соседнюю плиту Филиппинского моря посредством процесса, называемого субдукцией, доставляя огромное количество поглощенной воды с собой в верхнюю мантию.

Команда Винса использовала сеть из 20 сейсмографов на дне океана для измерения содержания воды в подстилающих мантийных породах и обнаружила, что количество воды, отложившейся на 60-100 миль ниже морского дна, было более чем в четыре раза выше предыдущих оценок. По словам Якобсена, распространение их результатов на все зоны субдукции в мире позволяет предположить, что поступления морской воды в мантию представляют собой нечто вроде одной океанской массы воды.

«У нас одна океанская масса в океанах, другая в верхней мантии», — объясняет Якобсен. «Давайте предположим, что в переходной зоне есть еще две. В общей сложности это пять океанских масс». 

И это даже не учитывает ядро ​​нашей планеты, которое может содержать дополнительные водные компоненты, хотя к этому внутреннему региону трудно получить доступ с помощью современных технологий.

«Это что-то для будущих поколений», — говорит Якобсен. «Но теперь, когда мы увидели черную дыру, все возможно».

Вода — для чего она нужна?

Подсчет количества скрытых океанов — это больше, чем просто игра чисел. 

«Вода так же важна для работы внутренних частей Земли, как и для процессов на поверхности Земли», — отмечает геофизик Колумбийского университета Донна Шиллингтон в статье 2018 года.

«Это делает камни менее жесткими и более текучими, что делает возможной тектонику плит», — объясняет геофизик из Университета штата Огайо Венди Панеро. 

Тектоника плит, в свою очередь, является ключевой частью того, что делает нашу планету пригодной для жизни; это похоже на гигантскую конвейерную ленту, которая способствует постоянной циркуляции тепла, воды и химикатов. Более того, говорит Панеро, «она в значительной степени ответственна за поддержание стабильного климата Земли в течение миллионов лет».

В начале своей карьеры Якобсен не заботился о том, откуда взялась вода Земли — он говорит, что этот вопрос «обсуждался во всех основных религиозных текстах, включая Коран и Ветхий Завет». Но по мере роста оценок подземных вод он начал более внимательно следить за скоростью, с которой вода может переноситься на большие глубины посредством тектоники плит и субдукции. Его расчеты показывают, что может потребоваться миллиарды лет, примерно возраст нашей планеты, чтобы переместить воду из океанов в мантию.

По этой причине Якобсен ставит под сомнение вывод, который приняли многие астрономы: а именно, что большая часть земной воды доставлялась на поверхность планеты астероидами и кометами. Вместо этого он полагает, что существенные количества должны были быть здесь с момента образования планеты, и что большая часть воды в наших нынешних океанах была «выжата» из камней внизу.

«Что здорово в этой истории, так это то, что мы привыкли смотреть в космос, размышляя о происхождении воды на Земле», — говорит Якобсен. «Но когда мы пристально смотрим вглубь планеты, на тысячу и более километров вниз, мы находим подсказки изнутри об источниках этой драгоценной жидкости».  

---

Вас также может заинтересовать:

На дне Тихого океана есть место, где “гибнут” сотни гигантских космических кораблей