|
Как мантия Земли удерживала огромное количество воды
|
|
|
|
Около 4,6 миллиардов лет назад Земля была совсем не похожа на ту нежно-голубую планету, которую мы знаем сегодня. Частые и сильные небесные толчки превратили ее поверхность и недра в бурлящий океан магмы — среда настолько экстремальная, что жидкая вода существовать не могла, в результате чего вся планета напоминала ад.
|
|
|
|
Поскольку в настоящее время 70% поверхности Земли покрыто океанами, тайна того, как вода выжила и сохранилась на нашей планете от раннего расплавленного до преимущественно твердого состояния, уже давно является предметом научных исследований.
|
|
|
|
Как вода могла выжить на ранней Земле
|
|
|
|
Недавно группа исследователей во главе с профессором Дж. Ду Чжисюэ из Института геохимии Гуанчжоу Китайской академии наук (GIGCAS) обнаружил, что значительное количество воды могло быть эффективно "заперто" глубоко в мантии, когда она кристаллизовалась из расплавленного состояния.
|
|
|
|
Выводы исследователей, опубликованные в журнале Science, меняют наше представление о хранении и распределении воды в недрах Земли. В частности, их исследование показало, что бриджманит, который является самым распространенным минералом в мантии Земли, действует как микроскопический "резервуар для воды", что позволяло ранней Земле удерживать значительное количество воды в мантии по мере затвердевания планеты.
|
|
|
|
|
|
|
Команда утверждает, что эта вода, которая сохранялась на ранних стадиях, могла сыграть решающую роль в превращении Земли из огненного ада в пригодный для жизни мир.
|
|
|
|
Экспериментальные открытия и новые технологии
|
|
|
|
Предыдущие исследования, в которых использовались экспериментальные условия с относительно низкой температурой, показали, что бриджманит обладает ограниченной способностью накапливать воду. Исследователи хотели проверить эту гипотезу, но столкнулись с двумя серьезными трудностями. Во-первых, им нужно было смоделировать экстремальные условия, которые наблюдаются на глубинах, превышающих 660 километров, в лабораторных условиях. Во—вторых, они должны были точно обнаружить следы воды в образцах бриджманита - некоторые из них были меньше одной десятой толщины человеческого волоса — при концентрациях всего в несколько сотен частей на миллион.
|
|
|
|
Они преодолели эти препятствия, создав экспериментальную установку diamond anvil cell, оснащенную лазерным нагревом и высокотемпературной визуализацией. Это самостоятельно разработанное устройство для моделирования сверхвысокого давления значительно повысило температуру в экспериментах - до экстремальных ~ 4100°C. Эта система успешно воссоздала условия в глубинах мантии и позволила точно измерить равновесные температуры, заложив основу для понимания роли температуры в том, как минералы поглощают воду.
|
|
|
|
Кроме того, используя передовые аналитические платформы GIGCAS, исследователи применили такие методы, как криогенная трехмерная дифракция электронов и наноразмерные изображения. В сотрудничестве с профессором Дж. Лонг Тао из Института геологии Китайской академии геологических наук также внедрил атомно-зондовую томографию (APT).
|
|
|
|
В совокупности эти инструменты позволили разработать инновационные методы анализа воды на микро- и нанометровом уровнях, эффективно оснастив микроскопический мир химическими компьютерными томографами сверхвысокого разрешения и масс-спектрометрами. Эта технология позволила команде четко визуализировать распределение воды в крошечных образцах и подтвердить, что вода структурно растворена в бриджманите.
|
|
|
|
Значение для водных резервуаров Земли
|
|
|
|
Полученные командой данные показали, что способность бриджманита "запирать воду" (измеряемая его коэффициентом водоотделения) значительно возрастает с повышением температуры. Это означает, что во время самой горячей фазы "магматического океана" на Земле кристаллизующийся бриджманит мог удерживать гораздо больше воды, чем считалось ранее, что напрямую опровергает давнее мнение о том, что глубокие слои нижней мантии почти сухие.
|
|
|
|
Основываясь на этом открытии, команда ученых смоделировала кристаллизацию океана магмы. Моделирование показывает, что благодаря сильной способности бриджманита удерживать воду при ранних высоких температурах, нижняя мантия стала крупнейшим резервуаром воды в твердой мантии после того, как океан магмы затвердел. Модель показывает, что его емкость для хранения воды может быть в пять-сто раз больше, чем предполагалось ранее. Общее количество воды, удерживавшееся в ранней твердой мантии, возможно, даже составляло где-то от 0,08 до одного объема всех современных океанов.
|
|
|
|
Роль глубоководья в эволюции Земли
|
|
|
|
Эта глубоко залегающая вода не была статичным запасом. Вместо этого она действовала как "смазка" для мощного геологического двигателя Земли: она снижала температуру плавления и вязкость мантийных пород, способствуя внутренней циркуляции и движению плит и обеспечивая планете устойчивую эволюционную жизнеспособность. Со временем эта изолированная вода постепенно "выкачивалась" обратно на поверхность в результате магматической активности, способствуя формированию изначальной атмосферы и океанов Земли.
|
|
|
|
Исследователи отметили, что "искра воды", заключенная в ранней структуре Земли, вероятно, послужила решающей силой, которая превратила нашу планету из магматического ада в голубой, благоприятный для жизни мир, который мы знаем сегодня.
|
|
|
|
Источник
|
