Ученые выяснили, как и когда появился «подземный океан»
16.07.2019
Международная научная группапод 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 Землиокеанической коры, обогащенной морской водой. Работа выполнена в рамкахпроекта, поддержанногогрантомРоссийского научного фонда, а ее результатыопубликованыв控制自然.
«Механизм погружения измененнойморской водой коры в мантию функционировал более 3,3 миллиарда лет назад. Этоозначает, что уже в первый миллиард лет существования Земли происходилглобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, аисточником избытка воды в переходной зоне мантии был древний океан наизаладизалодиниза，руководитель проекта, академик РАН, доктор геолого-минералогических наук,профессор Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН.
Кора Земли состоит из большихблоков – тектонических плит, – которые постоянно движутся. Когда онисталкиваются и уходят вверх, образуются горы, а от толчка происходятземлетрясения 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 подвоздействием высоких температур, участвуя в извержениях вулканов, таких каквулканы Камчатки, Курильских островов или Японии. Оставшаяся вода в составеболее высокотемпературных минералов океанической коры продолжает путь вглубокую мантию и накапливается на глубине 410–660 км в структуре минераловвадслеита и рингвудита, модификаций высокого давления главного минерала мантии– оливина (силиката магния и железа). По данным экспериментов эти минералыспособны удерживать значительные количества воды и хлора. Таким способом замиллиарды лет жизни планеты в ее недра могла перекачаться бóльшая частьмирового океана.
Описанный процесс — это лишьчасть глобального круговорота вещества Земли, который называется конвекцией илежит в основе тектоники плит, отличающей нашу планету от любых других телСолнечной системы. Многие ученые исследуют этот механизм, пытаясь выяснить, наиЗемлионпоявился。
Чтобы исследовать мантию нашейпланеты и ее состав, геохимики – ученые, занимающиеся химическим составом Землии процессами образования горных пород, – используют образцы вулканическихпород, которые состоят из затвердевшей мантийной магмы. Это силикатный расплав,обогащенный летучими компонентами, например, водой, углекислотой, хлором и地址：。Эта магма бывает разной: обычно ученые используют базальтовую(температура около 1200°С), но более горячей являетсякоматиитовая (температура 1500–1600°), извержение которой происходило вдревней истории Земли. Она более полно отражает состав мантии, поэтому именно сее помощью можно описать эволюцию внутренних слоев Земли.
Вулканические породы-коматиитыобразовались из коматиитовой магмы миллиарды лет назад и за это времяпретерпели значительные изменения состава и не сохранили информацию осодержаниях летучих компонентов, таких как вода и хлор. Но в этих породах всееще есть остатки магматического минерала – оливина, который захватил включениязатвердевшей магмы в процессе его кристаллизации и сберег их от последующихизменений. Подобные включения, размеры которых составляют всего лишь десяткимикрон, хранят в себе подробную информацию о составе коматиитовых расплавов,включая данные о содержаниях воды, хлора и об изотопном составе водорода. Длятого чтобы извлечь эту информацию, нужно нагреть включения затвердевшей магмыдо естественной температуры плавления – более 1500°С, а сразу послезакалить их, чтобы получить чистое закалочное стекло, которое уже можно использоватьдля химических анализов.
В 2016 году международнаягруппа во главе с учеными из Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАНисследовалакоматиитовую магму зеленокаменного пояса Абитиби в Канаде, возраст которого 2,7миллиарда лет. Зеленокаменные пояса – это территории, которые состоят измагма。Это была перваястатья коллектива, опубликованная в журнале自然в рамках проекта по гранту Российского научного фонда. Тогда исследователивпервые получили данные о содержании воды и разных подвижных элементов: хлора,свинца, бария в переходной зоне – между верхним и нижним слоями мантии на410年至660年резервуара воды, сравнимого по массе с современным мировым океаном. Ученыесчитают, что накопление такого количества воды произошло на ранних этапахразвития Земли.
«В новой статье мы представилигеохимические данные, указывающие на то, что цикл глобального погруженияиначаспециалистов, и мог функционировать уже в течение первого миллиарда лет историиЗемли», – отметил Александр Соболев.
В ходе этой работы ученые сноваисследовали состав коматиитовой магмы, но уже другого происхождения – иззеленокаменного пояса Барбертон в ЮАР, возраст которого составляет 3,3миллиарда лет. Для нагрева магмы они использовали специальную высокотемпературнуюустановку, которая способна выдерживать до 1700°С. Геохимики выяснили, что найденныйранее глубинный водосодержащий резервуар находился в мантии Земли уже впалеоархее, на 600 миллионов лет раньше, чем они установили в предыдущемисследовании.
Картинка 1: схема переноса водыи хлора океанической корой в переходную зону мантии и последующего захватаэтого материала архейской мантийной струей.
Источник: Евгений Асафов.
Картинка 2: вид на реку Коматив горной стране Барбертон (Южная Африка).
Источник: Александр Соболев.
Картинка 3: высокотемпературнаяэкспериментальная установка (до 1700°С) с контролем давления кислорода,控制。
Источник: Александр Соболев.
Пресс-служба Российского научного фонда