Ученые выяснили, где была вода на ранней Земле
Около 4,6 миллиардов лет назад Земля была совершенно не похожа на тот голубой и спокойный мир, какими мы знаем ее сегодня. Из-за частых и мощных космических ударов поверхность и недра планеты были бурлящим океаном магмы, в котором жидкая вода была невозможной.
Ныне океаны покрывают 70% земной поверхности. Ученые давно ищут ответ на вопрос, как вода смогла уцелеть и сохраниться на нашей планете в ходе ее перехода из расплавленного состояния в преимущественно твердое.
Похоже, эта загадка раскрыта. Значительные объемы воды могли быть эффективно «заперты» глубоко в мантии в процессе ее кристаллизации из расплавленного состояния. Таковы выводы китайских геохимиков, опубликованные в журнале Science.
Их исследование показало, что бриджманит — самый распространенный минерал в мантии Земли — действует как микроскопический «водонакопитель». Это сделало возможным сохранение значительного количества воды в мантии по мере того, как планета остывала и твердела. По мнению ученых, эта вода, удержанная на раннем этапе, могла сыграть ключевую роль в превращении Земли из огненного пекла в обитаемый мир.
Экстремальные эксперименты
Способность бриджманита удерживать воду ранее считалась весьма ограниченной. Все потому, что доселе не было технической возможности проверить его в этом качестве в экстремальных условиях, характерных для глубины свыше 660 километров.
В Гуанчжоуском институте геохимии Китайской академии наук построили экспериментальную установку с алмазными наковальнями, оснащенную лазерным нагревом и высокотемпературной визуализацией. Этот симулятор позволил резко поднять температуру опытов до ~4100 °C и получить сверхвысокое давление. Система успешно воссоздала условия глубокой мантии и позволила точно измерить температуры равновесия.
Для оценки поглощения воды минералами в этих адских условиях исследователи применили такие методы, как криогенная трехмерная электронная дифракция и NanoSIMS, а также атомно-зондовую томографию. В совокупности эти инструменты позволили разработать инновационные методы анализа воды на микро- и наноуровне, фактически снабдив микромир сверхвысокоразрешающими химическими КТ-сканерами и масс-спектрометрами. Таким образом, структурное растворение воды в бриджманите подтверждено.
Данные команды показали, что «водоудерживающая» способность бриджманита (измеряемая его коэффициентом распределения воды) значительно возрастает с повышением температуры. Это означает, что в самую горячую фазу существования магматического океана на Земле кристаллизующийся бриджманит мог удерживать гораздо больше воды, чем считалось ранее. Это открытие напрямую опровергает давнюю точку зрения о том, что нижняя мантия почти сухая.
Новые оценки
Основываясь на этом открытии, команда смоделировала процесс кристаллизации магмы. По расчетам, после затвердевания магмового океана нижняя мантия стала крупнейшим водохранилищем в недрах. Согласно модели, его емкость может быть в 5–100 раз больше, чем предполагалось ранее. Общее количество воды, сохраненной в ранней твердой мантии, могло составлять от 0,08 до 1 объема современного Мирового океана.
Эта глубоко захороненная вода не была статичным запасом. Напротив, она послужила смазкой для гигантского геологического механизма Земли: снизила температуру плавления и вязкость пород мантии, способствуя внутренней циркуляции и движению плит, и обеспечила планете устойчивую эволюционную динамику. Со временем законсервированная вода постепенно «выкачивалась» обратно на поверхность посредством вулканической активности, способствуя формированию первичной атмосферы и океанов Земли.
Запечатанная в ранней структуре Земли вода, вероятно, и стала той решающей силой, которая превратила нашу планету из магматического пекла в пригодный для жизни голубой мир, заключили исследователи.
