Международная научная группа под руководством российских геохимиков установила, что огромные запасы воды, находящиеся в мантии Земли и превосходящие массу всего мирового океана, образовывались более 3,3 миллиарда лет назад за счет погружения в недра Земли океанической коры, обогащенной морской водой. Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Nature.
«Механизм погружения измененной морской водой коры в мантию функционировал более 3,3 миллиарда лет назад. Это означает, что уже в первый миллиард лет существования Земли происходил глобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, а источником избытка воды в переходной зоне мантии был древний океан на поверхности планеты», – рассказал один из авторов статьи Александр Соболев, руководитель проекта, академик РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН.
Кора Земли состоит из больших блоков – тектонических плит, – которые постоянно движутся. Когда они сталкиваются и уходят вверх, образуются горы, а от толчка происходят землетрясения и цунами. Очень активно движение этих плит под мировым океаном: старая океаническая кора вместе с минералами, вобравшими в себя морскую воду, уходит вглубь в мантию Земли. Часть этой воды поступает обратно под воздействием высоких температур, участвуя в извержениях вулканов, таких как вулканы Камчатки, Курильских островов или Японии. Оставшаяся вода в составе более высокотемпературных минералов океанической коры продолжает путь в глубокую мантию и накапливается на глубине 410–660 км в структуре минералов вадслеита и рингвудита, модификаций высокого давления главного минерала мантии – оливина (силиката магния и железа). По данным экспериментов эти минералы способны удерживать значительные количества воды и хлора. Таким способом за миллиарды лет жизни планеты в ее недра могла перекачаться бóльшая часть мирового океана.
Описанный процесс — это лишь часть глобального круговорота вещества Земли, который называется конвекцией и лежит в основе тектоники плит, отличающей нашу планету от любых других тел Солнечной системы. Многие ученые исследуют этот механизм, пытаясь выяснить, на каком этапе истории Земли он появился.
Чтобы исследовать мантию нашей планеты и ее состав, геохимики – ученые, занимающиеся химическим составом Земли и процессами образования горных пород, – используют образцы вулканических пород, которые состоят из затвердевшей мантийной магмы. Это силикатный расплав, обогащенный летучими компонентами, например, водой, углекислотой, хлором и серой. Эта магма бывает разной: обычно ученые используют базальтовую (температура около 1200°С), но более горячей является коматиитовая (температура 1500–1600°), извержение которой происходило в древней истории Земли. Она более полно отражает состав мантии, поэтому именно с ее помощью можно описать эволюцию внутренних слоев Земли.
Вулканические породы-коматииты образовались из коматиитовой магмы миллиарды лет назад и за это время претерпели значительные изменения состава и не сохранили информацию о содержаниях летучих компонентов, таких как вода и хлор. Но в этих породах все еще есть остатки магматического минерала – оливина, который захватил включения затвердевшей магмы в процессе его кристаллизации и сберег их от последующих изменений. Подобные включения, размеры которых составляют всего лишь десятки микрон, хранят в себе подробную информацию о составе коматиитовых расплавов, включая данные о содержаниях воды, хлора и об изотопном составе водорода. Для того чтобы извлечь эту информацию, нужно нагреть включения затвердевшей магмы до естественной температуры плавления – более 1500°С, а сразу после закалить их, чтобы получить чистое закалочное стекло, которое уже можно использовать для химических анализов.
В 2016 году международная группа во главе с учеными из Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН исследовала коматиитовую магму зеленокаменного пояса Абитиби в Канаде, возраст которого 2,7 миллиарда лет. Зеленокаменные пояса – это территории, которые состоят из магматических горных пород с минералами зеленоватого цвета. Это была первая статья коллектива, опубликованная в журнале Nature в рамках проекта по гранту Российского научного фонда. Тогда исследователи впервые получили данные о содержании воды и разных подвижных элементов: хлора, свинца, бария в переходной зоне – между верхним и нижним слоями мантии на глубине 410–660 км – и предположили существование древнего подземного резервуара воды, сравнимого по массе с современным мировым океаном. Ученые считают, что накопление такого количества воды произошло на ранних этапах развития Земли.
«В новой статье мы представили геохимические данные, указывающие на то, что цикл глобального погружения океанической коры в мантию начался гораздо раньше, чем считает большинство специалистов, и мог функционировать уже в течение первого миллиарда лет истории Земли», – отметил Александр Соболев.
В ходе этой работы ученые снова исследовали состав коматиитовой магмы, но уже другого происхождения – из зеленокаменного пояса Барбертон в ЮАР, возраст которого составляет 3,3 миллиарда лет. Для нагрева магмы они использовали специальную высокотемпературную установку, которая способна выдерживать до 1700°С. Геохимики выяснили, что найденный ранее глубинный водосодержащий резервуар находился в мантии Земли уже в палеоархее, на 600 миллионов лет раньше, чем они установили в предыдущем исследовании.
Картинка 1: схема переноса воды и хлора океанической корой в переходную зону мантии и последующего захвата этого материала архейской мантийной струей.
Источник: Евгений Асафов.
Картинка 2: вид на реку Комати в горной стране Барбертон (Южная Африка).
Источник: Александр Соболев.
Картинка 3: высокотемпературная экспериментальная установка (до 1700°С) с контролем давления кислорода, установленная в ГЕОХИ РАН.
Источник: Александр Соболев.