Российские геохимики выяснили, откуда взялся океан внутри Земли

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 счёт погружения в недра Земли океанической коры, обогащенной морской водой. Такие выводы опубликованы в журнале Nature.

«Механизм погружения изменённой 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. 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. Оставшаяся вода продолжает путь в глубокую мантию и накапливается на глубине 410–660 километров в структуре минералов вадслеита и рингвудита. Это модификации, которые под воздействием высокого давления претерпевает главный минерал мантии – оливин (силикат магния–железа). По данным экспериментов эти минералы способны удерживать значительные количества воды и хлора. Таким способом за миллиарды лет жизни планеты в её недра могла перекачаться бóльшая часть Мирового океана.

Чтобы исследовать мантию нашей планеты и её состав, геохимики используют образцы вулканических пород, которые состоят из затвердевшей мантийной магмы. Это силикатный расплав, обогащённый летучими компонентами, например, водой, углекислотой, хлором и серой. Эта магма бывает разной: обычно учёные используют базальтовую (температура около 1200 °С), но более горячей является коматиитовая (температура 1500–1600 °С), извержение которой происходило в древней истории Земли. Она более полно отражает состав мантии, поэтому именно с её 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. Они не сохранили информацию о содержании в древнейшей магме летучих компонентов, таких как вода. Но в этих породах всё ещё есть остатки магматического минерала – оливина, который в процессе кристаллизации захватил включения затвердевшей магмы и сберег их от последующих изменений. Подобные включения, размеры которых составляют всего лишь десятки микрометров, хранят в себе подробную информацию о составе коматиитовых расплавов, включая данные о содержании воды. 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 учёными 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. Тогда исследователи впервые получили данные о содержании в переходной зоне – между верхним и нижним слоями мантии на глубине 410–660 километров – воды и разных подвижных элементов: хлора, свинца, бария. Эксперты предположили существование древнего подземного резервуара воды, сравнимого по массе с современным Мировым океаном. Учёные 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 Соболев.

В ходе этой работы авторы снова исследовали состав коматиитов из зеленокаменного пояса, на этот раз в ЮАР. Возраст образцов составлял 3,3 миллиарда лет. 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.

Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.

Источник: https://nauka.vesti.ru/article/1218880