Содержание
В мантии Земли найдены гигантские запасы воды
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Thinkstock
Подпись к фото,
Запасов воды в подземном океане достаточно, чтобы затопить планету до верхушек высочайших гор
Огромные запасы воды, в три раза превышающие объем мирового океана, обнаружены в недрах Земли. Это открытие может бросить свет на происхождение воды на нашей планете.
Вода эта содержится в горной породе рингвудит, которая залегает на глубине 700 км в земной мантии. Это форма уже давно известного минерала оливина, из которого в основном состоит земная мантия.
Огромные размеры этого водного резервуара подтверждают гипотезу о том, что вода на нашей планете возникла в процессе ее формирования еще на самых ранних этапах эволюции Солнечной системы.
Этой гипотезе всегда противостояла другая — что вода на Землю была принесена кометами примерно в тот же период.
«Эти данные подтверждают, что вода на Земле имеет внутреннее происхождение», — говорит доктор Стивен Джейкобсен из Северо-Западного университета в штате Иллинойс, который возглавлял группу исследователей.
Об открытии
пишет журнал New Scientist.
Загадки земной воды
Эти скрытые гигантские запасы воды могут также объяснить, почему в течение миллиардов лет объем мирового океана остается в целом неизменным.
Автор фото, JOE SMYTH
Подпись к фото,
Минерал рингвудит, вероятно, имеет голубой оттенок
Ученые воспользовались показаниями 2 тысяч сейсмографов, которые фиксировали акустические колебания, порожденные в ходе более, чем 500 землетрясений.
«Такие акустические колебания заставляют Землю звенеть как колокол в течение нескольких дней после подземного толчка», — говорит доктор Джейкобсен.
Породы, насыщенные водой, задерживают такие колебания больше, чем сухие.
Джейкобсен заранее рассчитал, насколько изменится скорость акустических волн при прохождении через породы, состоящие из минерала рингвудит.
Он синтезировал этот минерал в лаборатории и подверг его гигантским давлению и температуре с целью воспроизведения условий, существующих на глубине 700 км.
Наблюдения за распространением сейсмических волн при землетрясениях показывают, что их скорость резко меняется на границе верхней и нижней мантий Земли на глубине 410-660 километров.
Ученые предположили, что это происходит из-за изменений, которые претерпевает на большой глубине структура минерала оливина, составляющего большую часть верхней мантии.
Автор фото, Thinkstock
Подпись к фото,
Загадка происхождения воды на Земле давно не дает покоя ученым
Эту форму оливина назвали рингвудитом. До сих пор никто не видел рингвудит, извлеченный из земной мантии, так как глубина, на которой он должен залегать, слишком велика для добычи образцов.
Недоступная вода
И действительно, сейсмографы подтвердили существование залежей рингвудита в переходной зоне между верхними и нижними слоями мантии. На этой глубине температура и давление способствуют выделению воды из минерала.
«Это зернистая порода, и вода выделяется в пространстве между конкрециями, как будто минерал потеет», — говорит ученый.
Автор фото, RICHARD SIEMENS
Подпись к фото,
Первый алмаз со следами рингвудита был обнаружен в Бразилии
Канадские геохимики из университета Альберты в Эдмонтоне во главе с Грэмом Пирсоном ранее получили данные, подтверждающие результаты американских коллег.
Пирсон изучал алмазы, вынесенные на поверхность с вулканической лавой, и обнаружил в них признаки присутствия минерала рингвудит. Это стало первым свидетельством того, что в земной мантии могут содержаться большие запасы воды.
Пока что Джейкобсен имеет данные о том, что рингвудит присутствует только на территории США.
Сейчас он хочет доказать, что этот минерал присутствует в мантии всей планеты.
«Мы должны быть благодарны за этот подземный водный резервуар, — говорит американский геохимик. — Если бы его там не было, он существовал бы на поверхности Земли, и тогда бы над морем возвышались бы только верхушки самых высоких гор».
вода появилась в мантии Земли 2,7 млрд лет назад
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 миллиардов лет назад. Ученые предполагают, что вода из мантии способствовала появлению океанов. Об этом корреспонденту ТАСС рассказал Александр Соболев, ведущий автор статьи с результатами исследования, опубликованной в журнале Nature.
Вода в минералах
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 мантии, где температура превышает 1,5 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 миллионов 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 Соболев.
Как «заглянуть» в земную мантию
Для того, чтобы оценить возраст залежей воды в мантии, Соболев и его коллеги исследовали магматическую породу коматиит. В распоряжение исследователей попадают образцы магмы из транзитной зоны, которые вышли на поверхность в составе мантийных плюмов — горячих потоков, поднимающихся в мантии от ядра Земли к ее поверхности со скоростью до нескольких метров в год.
«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 миллиардов 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: 1 800 против 1 600 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 движения литосферных плит.
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 изучить этот вопрос, Соболев и его коллеги в настоящее время проводят аналогичное исследование на коматиитах возрастом 3,5 миллиарда лет.
«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
СМИ о Фонде, Науки о Земле
Как океан внутри мантии влияет на обитаемость Земли
Океаны Земли поднимались и опускались на протяжении тысячелетий. Но в среднем они были относительно стабильными на протяжении миллиардов лет. Баланс глубоководного цикла — обмен водой между поверхностью Земли и ее недрами — играет важную роль в поддержании этой стабильности. Фото Джеймса Тью/Alamy Stock Photo
Новая модель предполагает, что «мантийный дождь» изнутри мантии Земли гарантирует, что у нас всегда будет поверхностный океан.
Автор:
к
Тео Никитопулос
Количество слов
15 июня 2022 г.
| 700 слов, около 3 минут
Поделиться статьей
Поделись этим:
- Поделиться на флипборде
- Поделиться на Facebook
- Поделиться в Твиттере
Копия основного текста статьи
Внутри Земли — в пределах первых нескольких сотен километров под земной корой — есть еще один океан. Это, скорее всего, самый большой океан в мире. Эта вода не плещется в большом бассейне. Ни одна рыба не проникает в его глубины. На самом деле, этот океан представляет собой лишь воду в самом широком смысле: разбитый на составные атомы водорода и кислорода и химически связанный с окружающей породой, этот океан находится в хранилище. Или большая часть.
Дени Андро и Натали Болфан-Казанова, геологи из Университета Клермон-Овернь во Франции, разработали новую модель, которая показывает, что в пути находится больше воды, чем считалось ранее. Когда твердая порода в мантии — слой планеты между корой и ядром — насыщается химически диссоциированной водой, она может превратиться в богатую водой расплавленную суспензию.
Когда это происходит, он просачивается обратно к земной коре. Исследователи называют это мантийным дождем.
Так же, как круговорот воды между атмосферой, ледниками, озерами, реками, водоносными горизонтами и океаном влияет на уровень моря, обилие дождей и частоту засух, обмен воды между мантией и поверхностью также диктует обитаемость Земли. Ученым уже известно, что вода может уходить в мантию за счет субдукции тектонических плит и возвращаться на поверхность в результате таких явлений, как извержения вулканов, гидротермальные источники и образование новой коры в океанических центрах распространения. Если этот глубинный круговорот воды между мантией и поверхностью находится в равновесии, уровень моря на Земле остается стабильным. Если бы это было не так, наша планета могла бы существовать как что угодно, от единого глобального океана до высохшего мира.
Обитаемость Земли значительно улучшилась благодаря тому факту, что уровень моря на Земле оставался относительно стабильным на протяжении миллиардов лет.
Однако, согласно предыдущим исследованиям мантии, она могла быть совсем другой. Оценки, основанные на ранее понятой механике глубоководного цикла, предполагают, что в мантию попадает почти в два раза больше воды, чем высвобождается обратно на поверхность.
«Примерно на 410 километров ниже поверхности находится слой, который может содержать много воды», — говорит Андро. Господствующее понимание говорит о том, что вода должна оставаться там навсегда, говорит он. Если бы это было так, то поверхностные воды Земли медленно уменьшались бы, запертые в мантии.
Но тут-то и появляется мантийный дождь.
В своем исследовании Андро и Болфан-Казанова показывают, что дождя из мантии может быть достаточно, чтобы поддерживать баланс глубоководного цикла.
Чтобы открыть мантийный дождь, исследователи изучили, что происходит, когда погружающаяся плита породы и воды, связанной с породой, погружается глубже в мантию. Они обнаружили, что по мере его опускания повышение температуры и давления приводит к таянию горных пород, высвобождая воду.
«Расплав похож на суспензию», — говорит Андро. «Представьте себе мягкую смесь песчинок, склеенных друг с другом, с грязью между ними — грязь — это мантийный дождь».
Чем больше горных пород тает и чем больше воды высвобождается из горных пород, этот расплав в конце концов становится достаточно легким, чтобы начать подниматься. При этом вода связывается с минералами в верхней мантии и снижает их температуру плавления, вызывая большее таяние, высвобождающее больше воды, и цикл продолжается.
Модель мантийного дождя Андро и Болфана-Казановой, говорит Ёсинори Миядзаки, ученый-землянин и планетолог из Калифорнийского технологического института, не участвовавший в исследовании, «показывает, что может быть другой способ транспортировки воды к поверхности в дополнение к глобальная конвекция самой мантии».
«Обычно воде не нравится быть в фазе камня», — говорит Миядзаки. «Он с радостью перейдет в фазу расплава и просочится вверх». Андро говорит, что требуется дополнительная работа, чтобы понять, в какой степени вода уходит таким образом.
Модель мантийного дождя также предполагает, что в настоящее время в верхней мантии находится одна океаническая масса. «Вместе с океаном на поверхности, — говорит Андро, — это гарантирует, что на поверхности Земли всегда будет вода».
«Нам еще многое предстоит узнать о глубоководном цикле», — говорит Миядзаки. «Но один определенный факт заключается в том, что он работал удивительным образом, поддерживая средний уровень моря на Земле относительно постоянным в течение последних 500 миллионов лет, а, возможно, и дольше, чтобы поддерживать пригодную для жизни среду для продолжения жизни».
Нижний и нижний колонтитул статьи
Поделитесь этой статьей в социальных сетях
Подпишитесь на еженедельную рассылку новостей
Подпишитесь на нашу бесплатную еженедельную рассылку
Дополнительные участники
Отредактировал:
Колин Шульц
Биография автора
Тео Никитопулос — научный писатель из Торонто, Онтарио.
Ему нравится писать на различные темы, включая географию и астрономию, и его работы были опубликованы в Sky & Telescope и Popular Astronomy .
Теги
Тема:
- Окружающая среда
Цитировать эту статью:
Процитировать эту статью:
Тео Никитопулос «Как океан внутри мантии влияет на обитаемость Земли», Hakai Magazine , 15 июня 2022 г., по состоянию на 22 декабря 2022 г., https://hakaimagazine.com/news/how-the-ocean-inside-the-mantle-affects-the-habitability-of-the-earth/ .
В мантии Земли столько же воды, сколько во всех океанах
Энди Коглан
Жаждущие кристаллы
Jasperox/CC BY 3.
0
Недра Земли содержат примерно такое же количество воды, как и наши океаны. Это вывод из экспериментов с породами, типичными для переходной зоны мантии, глобального буферного слоя на глубине от 410 до 660 километров под нами, который отделяет верхнюю мантию от нижней.
«Если наша оценка верна, это означает, что в недрах Земли есть большое количество воды», — говорит Хунчжан Фей из Байройтского университета в Германии. «Общее количество воды в недрах Земли почти равно массе всей воды Мирового океана».
Результаты подтверждают, что под нами гораздо больше воды, чем ожидалось, в основном запертой в кристаллах минералов в виде ионов, а не в жидкой воде.
Реклама
По крайней мере, одна команда ранее обнаружила богатые водой фрагменты горных пород в вулканических обломках, образовавшихся из мантии. Другая группа провела эксперименты, предполагающие, что вода на этих глубинах образовалась здесь, на Земле, а не была доставлена на первобытную планету кометами и астероидами.
«Огромное количество воды, запертой в горных породах этой глубокой области мантии, безусловно, заставит нас задуматься о том, как она вообще попала туда или, возможно, как она всегда могла быть там с момента затвердевания мантии», — говорит Стивен. Якобсен из Северо-Западного университета в Иллинойсе, который не был связан с новым исследованием. «Это ключевой вопрос об эволюции Земли, который распространяется и на внесолнечные планеты».
Модель горных пород
Теперь Фей и его коллеги сделали вывод о высоком содержании воды во всей переходной зоне мантии с помощью лабораторных экспериментов с синтетическими породами, используемыми для моделирования тех, которые обычно встречаются в этом слое, а также в том, что ниже.
Реальные геофизические и сейсмические измерения уже показали, что вязкость переходной зоны мантии ниже, чем вязкость верхней мантии выше и нижней мантии ниже, которая простирается на глубину до 2900 километров, прямо до ядра Земли.
Благодаря своим экспериментам Фей и его коллеги теперь показали, что измеренные значения вязкости соответствуют значениям, когда рингвудитовая порода, преобладающая в переходной зоне мантии, насыщена водой.
«Это хорошо согласуется с наблюдаемой геофизически вязкостью в переходной зоне мантии», — говорит Фей. «Поэтому мы заключаем, что переходная зона мантии должна быть влажной».
Влажная ссора
Фэй говорит, что общепризнано, что верхняя и нижняя мантия сухая, но вопрос о том, сухая ли переходная зона между ними, также вызывает споры. Для своих лабораторных экспериментов исследователи создали синтетические версии рингвудита из переходной зоны, а также бриджманита, преобладающего в нижней мантии.
Измеряя явление, называемое подвижностью дислокаций — легкость, с которой может двигаться линейный излом или дефект в кристаллической структуре, — они могли сделать вывод о вязкости. Чем легче дефектам двигаться, тем легче кристаллу деформироваться и течь, уменьшая вязкость и делая породу более «жидкой».
Исследователи обнаружили, что добавление воды к рингвудиту снижает его вязкость, и когда вода составляет от 1 до 2 процентов веса породы, значения вязкости точно соответствуют реальным измерениям.