На Земле имеется огромный внутренний океан, находящийся на глубине 700 км под поверхностью

Благодаря минералу рингвудиту исследователи сделали удивительное открытие, которое бросает вызов нашим представлениям о распределении воды на Земле и свидетельствует о наличии нескольких океанов воды, запертых глубоко под поверхностью. Открытие, сделанное геофизиком Стивом Якобсеном из Северо–Западного университета и сейсмологом Брэндоном Шмандтом из Университета Нью–Мексико, может представлять собой крупнейший водный резервуар планеты.

Открытие по подобным косвенным свидетельствам огромного количества воды в связанной форме на таких глубинах явно перекликается с гипотезой изначально гидридной Земли советского геолога Владимира Ларина.

Примечательно, что западные научно–популярные медиа в свежих статья по этой теме прямо говорят об "открытии огромного резервуара воды глубоко в мантии Земли" как о "революции в нашем понимании формирования, состава и круговорота воды на планете", но при этом всё равно пытаются связать это открытие с религиозной концепцией цикличности: "мы наконец–то видим доказательства существования всеземного водного цикла". В своей гипотезе советский геолог Ларин описывал обнаруженные им явления не через привычную концепцию цикличного круговорота воды, а как перманентный выход водорода из недр Земли, способный генерировать не только оксид водорода, но и абиогенные соединения углерода с водородом.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, проливают свет на формирование Земли, ее состав и количество воды, содержащейся в мантийных породах. "Геологические процессы на поверхности Земли, такие как землетрясения или извержение вулканов, являются выражением того, что происходит внутри Земли, вне нашего поля зрения", — объясняет Якобсен, соавтор статьи. "Я думаю, что мы наконец–то видим доказательства существования всеземного водного цикла, что может помочь объяснить огромное количество жидкой воды на поверхности нашей пригодной для жизни планеты". Ученые искали эту недостающую глубинную воду в течение десятилетий", — продолжил Якобсен.

Ученые давно предполагают существование воды в мантии Земли, расположенной между нижней и верхней мантией на глубине от 250 до 410 миль. Якобсен и Шмандт впервые представили прямые доказательства наличия воды в этой "переходной зоне" в региональном масштабе, простирающейся через большую часть внутренних районов Соединенных Штатов. "Плавление горных пород на такой глубине примечательно тем, что большинство плавлений в мантии происходит гораздо выше, в верхних 50 милях", — говорит Шмандт, соавтор статьи. "Если в переходной зоне имеется значительное количество H2O, то некоторое плавление должно происходить в тех местах, где есть поток в нижнюю мантию, и это соответствует тому, что мы обнаружили".

Вода, обнаруженная в мантии, не имеет привычной для нас формы — это не жидкость, не лед и не пар. Вместо этого она заперта внутри молекулярной структуры минералов в мантийной породе. Огромное давление, создаваемое 250 милями твердой породы, а также температура выше 2000 градусов по Фаренгейту заставляют молекулы воды расщепляться и образовывать гидроксильные радикалы (OH), которые могут быть связаны в кристаллической структуре минерала. "Однако неизвестно, является ли этот уникальный образец репрезентативным для внутреннего состава Земли", — сказал Якобсен. "Теперь мы нашли доказательства обширного плавления под Северной Америкой на тех же глубинах, которые соответствуют дегидратации рингвудита, а это именно то, что происходило в моих экспериментах".

Рингвудит, минерал высокого давления с завораживающим голубым оттенком, названный в честь австралийского геолога Альфреда Рингвуда, образуется глубоко в мантии Земли на глубине от 410 до 660 километров (250–410 миль). Что делает рингвудит по–настоящему удивительным, так это его способность накапливать воду в своей кристаллической структуре.

В своей лаборатории на Северо–Западе Якобсен синтезировал рингвудит, голубой минерал, похожий на сапфир, путем реакции зеленого минерала оливина с водой в условиях высокого давления. Он обнаружил, что более одного процента веса кристаллической структуры рингвудита может составлять вода. При огромных давлениях и температурах, характерных для переходной зоны мантии, молекулы воды расщепляются на гидроксильные радикалы (OH), которые затем могут быть включены в структуру рингвудита. Этот минерал действует как губка, впитывая воду и накапливая ее в глубинах Земли. "В кристаллической структуре рингвудита есть что–то особенное, что позволяет ему притягивать водород и удерживать воду. В условиях глубокой мантии этот минерал может содержать большое количество воды", — отметил Якобсен.

Присутствие богатого водой рингвудита в мантии Земли имеет значение для нашего понимания формирования планеты и ее потенциальной пригодности для жизни. Продолжая изучать этот интригующий минерал, ученые, возможно, откроют для себя новое понимание роли воды в глубинных недрах Земли и ее влияния на геологические процессы, формирующие наш мир. Способность рингвудита хранить и транспортировать воду в мантии также может иметь значение для поиска жизни на других планетах, поскольку наличие воды считается ключевым фактором развития и устойчивости жизни, какой мы ее знаем.

С помощью сейсмических волн Шмандт обнаружил присутствие магмы под Северной Америкой, что совпадает с выводами Якобсена о частичном плавлении при воздействии на синтезированный рингвудит в условиях на глубине около 400 миль под поверхностью Земли. Кроме того, сейсмические исследования выявили области частичного плавления в переходной зоне мантии, что может быть связано с выделением воды из рингвудита при его превращении в другие минералы на больших глубинах. "Сейсмические данные, полученные с помощью USArray, дают нам более четкое, чем когда–либо, представление о внутренней структуре Земли под Северной Америкой", — пояснил Шмандт. "Плавление, которое мы наблюдаем, по–видимому, вызвано субдукцией — опусканием мантийного материала с поверхности".

Обнаруженное исследователями плавление называется дегидратационным плавлением. Когда рингвудит в переходной зоне перемещается глубже в нижнюю мантию, он образует минерал более высокого давления — силикат–перовскит, который не может поглощать воду. Это приводит к частичному плавлению породы на границе между переходной зоной и нижней мантией. "Когда порода с большим количеством H2O перемещается из переходной зоны в нижнюю мантию, ей нужно как–то избавиться от H2O, поэтому она немного плавится", — говорит Шмандт. "Это называется дегидратационным плавлением". "Как только вода высвобождается, большая ее часть может оказаться в ловушке в переходной зоне", — добавил Якобсен.

Международную группу ученых, ответственных за эту замечательную находку, возглавлял Грэм Пирсон, заведующий кафедрой канадских исследований арктических ресурсов в Университете Альберты. Анализ образца минерала показал, что в нем содержится значительное количество воды — 1,5 процента от его веса. Это открытие имеет далеко идущие последствия для нашего понимания недр Земли и ее динамической природы.

Считается, что рингвудит, разновидность минерала перидота, существует в больших количествах при высоком давлении в переходной зоне между верхней и нижней мантией Земли. Рингвудит был найден в метеоритах, но до появления Грэма Пирсона не было обнаружено ни одного земного образца. Из–за больших глубин, на которых он образуется, этот неуловимый минерал недоступен для непосредственных полевых исследований.

Образец рингвудита был найден в 2008 году в районе Жуина (штат Мату–Гросу, Бразилия), где старатели выкопали алмаз из мелкой речной гальки. Алмаз, который был поднят на поверхность Земли вулканической породой глубокого происхождения, известной как кимберлит, содержал включение рингвудита. Команда Пирсона искала другой минерал, когда приобрела трехмиллиметровый, грязный на вид, коммерчески бесполезный коричневый алмаз. Сам рингвудит, невидимый невооруженным глазом и погребенный под поверхностью, к счастью, был обнаружен аспирантом Пирсона Джоном Макнилом в 2009 году. "Это включение настолько мало, что его очень трудно найти, а тем более обработать, — говорит Пирсон, — так что это открытие, как и многие другие научные открытия, было своего рода удачей".

Образец прошел многолетний тщательный анализ с помощью рамановской и инфракрасной спектроскопии и рентгеновской дифракции, прежде чем было официально подтверждено, что это рингвудит. Критические измерения воды проводились в лаборатории геохимии арктических ресурсов Пирсона в Университете Альберты, которая является частью всемирно известного Канадского центра изотопного микроанализа, где также находится крупнейшая в мире академическая группа по исследованию алмазов.

Для Пирсона, одного из ведущих мировых авторитетов в области изучения глубоководных алмазоносных пород, это открытие оказалось самым значительным в его карьере. Оно подтвердило около 50 лет теоретической и экспериментальной работы геофизиков, сейсмологов и других ученых, пытавшихся понять состав земных недр. "Одна из причин, по которой Земля является такой динамичной планетой, — это наличие в ее недрах некоторого количества воды", — сказал Пирсон. "Вода меняет все, что связано с работой планеты".

Таким образом, открытие Стивом Якобсеном и Брэндоном Шмандтом огромного резервуара воды глубоко в мантии Земли произвело революцию в нашем понимании формирования, состава и круговорота воды на планете. Пока исследователи продолжали изучать сложные процессы, происходящие далеко под поверхностью Земли, их находки из рингвудита позволили по–новому понять тонкий баланс, который делает нашу планету пригодной для жизни.

Наличие этого скрытого океана, запертого в кристаллах мантийной породы, служит свидетельством невероятных сил, действующих внутри Земли, и бесчисленных тайн, которые все еще лежат под нашими ногами. С каждым новым открытием мы приближаемся к разгадке секретов прошлого, настоящего и будущего нашей планеты и ценим удивительный мир, который мы называем своим домом.

Полная версия исследования была ещё 10 лет назад опубликована в журнале Science и журнале Nature.