Причину движения континентов нашли в слое Голицына между мантиями Земли

Чуть более века назад ученые узнали, что континенты далеко не стабильны — они скользят по поверхности Земли на гигантских тектонических плитах. Их перемещение реконструировано на сотни миллионов лет назад — но до сих пор не ясно, почему это движение когда-то началось. Авторы нового исследования в журнале Geology нашли предполагаемую причину глубоко в мантии.

Наша планета богата водой. Но то, что мы видим в озерах, реках и океанах — лишь около четверти от общих запасов воды, остальная связана в виде ионов водорода и гидроксила в минералах внутри Земли.

Вода ослабляет эти породы и позволяет им изгибаться и скользить друг под другом — ключевая особенность тектоники плит, называемая субдукцией. Кроме того, вода делает породы менее вязкими, помогая им прорываться через самые твердые слои коры, подниматься в виде магмы и затвердевать, образуя новую сушу. 

Геохимик Эстебан Газель из Корнеллского университета и его коллеги изучают роль воды в тектонике плит, исследуя ее содержание воды в магмах — а оно, в свою очередь, фиксирует все испытания, которые пришлось пройти породам на их тернистом пути сквозь недра — то есть давление и температуру. Расплавные включения — крошечные частицы охлажденной магмы — рассказывают их историю, словно годичные кольца деревьев.

Основой для исследования послужили образцы, собранные в 2017 году исследовательским судном JOIDES Resolution на срединно-океаническом хребте в Южно-Китайском море. Прямо сейчас там образуется новая океаническая кора — а раньше она была частью континента, и потому представляет особенный научный интерес.

Чтобы измерить количество связанной воды в расплавных включениях этих пород, геохимик Цзяньхуа Ван из Института Карнеги обстрелял их ионными пучками. По рассеиванию ионов воды он определил, что ее там вдвое больше, чем в большинстве других магм со срединно-океанических хребтов. Кроме того, соотношение ионов воды к церию — элементу, который ведет себя подобно ионам воды, но не так легко выходит из минералов — в три раза выше, чем ожидалось.

Эти пропитанные водой породы могли ускорить истончение расположенного над ними континента. А образовались они, по мнению Газеля, в переходной зоне мантии на глубине 410-670 км, которую в русскоязычной литературе принято называть слоем Голицына.

Именно там экстремальное давление и температура создают минералы с высоким потенциалом к накоплению воды, способные впитывать ее как губка, говорит исследователь. Согласно его гипотезе, на древней Земле плюмы богатой водой породы могли подниматься из переходной зоны мантии, вода смягчала твердые породы на поверхности, позволяя магме прорываться — и по сути стала смазкой для запуска тектонического механизма. Затем плиты погружались, увлекая наполненные водой минералы обратно вглубь Земли.

«Чтобы планета была обитаемой, как наша, нужна тектоника плит. А для тектоники плит нужна иметь рециркуляция воды», — резюмирует Газель.

Другие теории также предполагают роль воды в запуске тектоники, но в соответствии с ними движение плит начиналось ближе к поверхности — возможно, когда вес раннего океана ослабил породы до их погружения. Чтобы идея Газеля была верной, в мантии должно было содержаться достаточное количество воды на момент застывания магматического океана — это открытый геофизический вопрос, но его разрешение становится все более вероятным благодаря исследованиям метеоритов.

Чтобы новая теория обрела вес, нужны дополнительные исследования образцов насыщенных водой магм с разных срединно-океанических хребтов.

«Вода фундаментальна, [и] не только для жизни. Она также делает планету динамичной», — заключил Газель.