Открит е подземен океан. Огромни запаси от вода, открити в недрата на земята

Недрата на Земята съдържат огромно количество вода, няколко пъти по-голямо от обема на океаните. Как е попаднал там не е ясно и може само да се спекулира за ролята му във формирането и съвременната вътрешна динамика на планетата. Въпреки че през 2016 г. учените вече са установили съществуването, поне в миналото, на подземен океан на Плутон, изобилието от вода в мантията на Земята беше надеждно признато едва през 2014 г. Повече подробности за направените неочаквани открития, включително с участието на руски геофизици, разказва Lenta.ru.

Учените не знаят толкова много за вътрешната структура на Земята, колкото може да изглежда. Преките изследвания на вътрешността на планетата са изключително трудни. Разпределението на плътността вътре в Земята може да се оцени например чрез наблюдение на разпространението на сеизмичните вълни – на дълбочина от няколко десетки километра, на т. нар. граница на Мохоровичич, скоростта им рязко нараства от 7 до 8 километра в секунда. Това означава, че смущението на материята е преминало от по-малко плътна среда към по-плътна - от кората към горната мантия. В мантията вълните също се разпространяват с различна скорост – на дълбочина около 600 километра те се забавят, смущението преминава в зоната на долната мантия и след това на дълбочина около 2,9 хиляди километра достига до ядрото.

В допълнение, той помага да се изследват минералите, които някога са били в недрата на планетата. Така са открити подземните води. През 2014 г. международен екип от геофизици съобщи в списание Nature, че има огромна вода в преходния слой между горната и долната мантия, на дълбочина от 410-660 километра. Учените извършиха рентгенов, раманов и инфрачервен анализ на проби от оливин, открити близо до река Сан Луис в съвременна Бразилия, и идентифицираха съдържащи вода включвания на рингвудит в минерала.

Водата може да попадне там само от преходната зона на мантията - тази възможност беше посочена преди това от теоретични изчисления и експерименти. Според тези данни оливинът при високи температури и налягания, характерни за мантията на дълбочина 410-660 километра, се трансформира в рингвудит и друг минерал - уадслиит. Рингвудитът и вадслиитът абсорбират порядъци повече вода от оливин, до около 2,5 процента от общата им маса. Пробата, изследвана от учените, съдържа до 1,5 процента рингудит. Геофизиците стигнаха до заключението, че поне на местно ниво, тоест там, където рингудитът е възникнал от оливин, мантията е около един процент от масата вода. Простите изчисления показват, че в недрата на Земята ще има достатъчно вода за поне няколко световни океана.

Това беше потвърдено от друга група учени, в която имаше и руски експерти. През 2015 г. в списанието Nature те публикуват статия с резултатите от изследване на рингвудит, открит в зеленокаменния пояс Абитиби на Канадския щит на Северноамериканската платформа. Този пояс е един от най-често срещаните скални комплекси от средния и късния архей. Такива комплекси могат да бъдат с дълбочина до 20 километра, ширина 200 километра и дължина хиляда километра. Има шест от тях в Канадския щит. Зеленокаменните пояси са се образували на Земята преди 2,5-3,5 милиарда години - това показва възрастта на изследвания рингудит и подземния океан, затворен в минерали.

Изучавайки включвания в оливин, геофизиците са идентифицирали повишено съдържание на вода в първичните стопилки на коматиити, продукти от вулканични изригвания на възраст 2,7 милиарда години от пояса Абитиби. Коматиите най-вероятно са се образували в дълбока мантийна струя с потенциална температура от плюс 1725 градуса по Целзий. Водата в източника на коматиитовата мантия е уловена от междинната мантийна зона на дълбочина 620-410 km. При извършването на тази научна работа руски учени от Института по геохимия и аналитична химия на Владимир Вернадски на Руската академия на науките разработиха уникален метод за микроанализ на оливин с електронна сонда с точност на определяне на примесни елементи от пет грама на тон, след като стартираха първата високотемпературна (до плюс 1700 градуса по Целзий) в Русия експериментална установка с контролирана фугитивност на кислорода.

Изводите на учените се потвърдиха. Британски и американски геофизици, след като извършиха много компютърни квантово-механични изчисления, че много хидратирани, тоест включително вода, минерали, по-специално брусит, при високо налягане и температури, като например в недрата на Земята на дълбочина 400- 600 километра, са термодинамично стабилни. Това се съобщава в статия, публикувана през 2016 г. в списание Proceedings of the National Academy of Sciences.

Друг международен екип от геофизици анализира диамант, изхвърлен преди около 90 милиона години по време на вулканично изригване на земната повърхност близо до бразилската река Сан Луис. Инфрачервената микроскопия разкрива включвания в минерала, които са възникнали по време на неговото образуване и са свързани с наличието на хидроксидни йони, които най-вероятно са попаднали в минерала заедно с водата. Оказа се, че тези включвания се състоят главно от ферипериклаз (магнезиовустит) - той представлява около една пета от минералната фаза на долната, тоест намираща се на дълбочина 660-2900 километра от мантията на Земята. Резултатите от това проучване са в списание Lithos.

Ферипериклазът се състои от оксиди на желязо и магнезий и може също да абсорбира хром, алуминий и титан при свръхвисоки налягания и температури, характерни за долната мантия. Междувременно тези допълнителни включвания в минерала не са открити, което означава, че диамантът е възникнал на дълбочина около хиляда километра. Така подземните води, затворени в минерали, се намират не само на дълбочина 600-400 километра, но и в по-дълбоките слоеве на мантията.

Водата може да повлияе на електропроводимостта на мантията и нейната подвижност. Учените все още не могат да кажат със сигурност защо има толкова много от него в недрата на Земята и как е попаднал там. Преди това геофизиците смятаха, че водата прониква в планетата от Световния океан в резултат на субдукция - потапянето на една литосферна плоча под друга. Аномално високата концентрация на вода в изследваните минерали не може да се обясни с такъв механизъм. Най-вероятно подземните води са се образували по време на формирането на планетата. Учените ще се опитат да изяснят ситуацията, като анализират колекция от коматиити, събрани в африканската провинция Барбъртън. Тези втвърдени древни лави се оценяват на 3,3 милиарда години.

Недрата на Земята съдържат огромно количество вода, няколко пъти по-голямо от обема на океаните. Как е попаднал там не е ясно и може само да се спекулира за ролята му във формирането и съвременната вътрешна динамика на планетата. Въпреки че през 2016 г. учените вече бяха уверени в съществуването, поне в миналото, на подземен океан на Плутон, изобилието от вода в мантията на Земята не беше надеждно известно до 2014 г. Повече подробности за направените неочаквани открития, включително с участието на руски геофизици, разказва Lenta.ru.

Това беше потвърдено от друга група учени, в която имаше и руски експерти. През 2015 г. те публикуват статия в списанието Nature с резултатите от изследване на рингвудит, открит в зеленокаменния пояс Абитиби на Канадския щит на Северноамериканската платформа. Този пояс е един от най-често срещаните скални комплекси от средния и късния архей. Такива комплекси могат да бъдат с дълбочина до 20 километра, ширина 200 километра и дължина хиляда километра. Има шест от тях в Канадския щит. Зеленокаменните пояси са се образували на Земята преди 2,5-3,5 милиарда години - това показва възрастта на изследвания рингудит и подземния океан, затворен в минерали.

Изводите на учените се потвърдиха. Британски и американски геофизици, след като извършиха много компютърни квантово-механични изчисления, показаха, че много хидратирани, тоест включително вода, минерали, по-специално брусит, при високи налягания и температури, като например в недрата на Земята на дълбочина от 400-600 километра, са термодинамично стабилни. Това се съобщава в статия, публикувана през 2016 г. в списание Proceedings of the National Academy of Sciences.

Няколкостотин километра под повърхността на Земята има океан от вода, дълбок резервоар, който се е образувал още през архейския период, преди повече от 2,7 милиарда години.

Вярно е, че този океан е необичаен: той е неподходящ за плуване, навигация или живот като цяло, тъй като от самото си създаване водата в него е във вкаменено състояние или по-скоро в кристалната структура на минералите, образувани повече от 2 милиарда преди години.

Това заключение за възрастта на вкаменения океан направиха руски учени от Института по геохимия и аналитична химия. Вернадски от Руската академия на науките () с помощта на колеги от Франция и Германия. Статия за техните изследвания, подкрепени от грант от Руската научна фондация (RSF), е публикувано в последния брой на NatureЧетвъртък вечер московско време.

Учените отдавна подозират съществуването на огромни резервоари от "вкаменена" вода дълбоко под земята, но първите доказателства бяха получени едва наскоро. Преди две години те анализираха състава на редкия минерал рингудит, чието включване откриха в древен диамант. Рингвудитът и вадслиитът са двата минерала, в които се превръща основният минерал на мантията, оливинът. Това се случва на дълбочини 410-660 км, в така наречената мантийна преходна зона, под действието на високо налягане. Характеристика на тези два минерала е способността им да концентрират много повече водни молекули от оригиналния оливин.

Ако оливинът съдържа вода в количество от 100 g на тон, тогава рингвудитът и вадслиитът могат да я съберат няколкостотин пъти повече.

"Диамантеният" рингудит, както установиха канадците, съдържа 1,4% вода. И това беше ясно доказателство, че в преходната зона на мантията има огромен резервоар от вода, равен на няколко обема на Световния океан и събран от тези минерали като гъби.

„Въпреки това нищо не може да се каже за възрастта на водата от този диамант“, каза водещият автор на новата работа, член-кореспондент на Руската академия на науките, ръководител на лабораторията за магмени и метаморфни скали на ГЕОХИ, каза за Gazeta.Ru. . - Може да е на 100 милиона години, като кимбърлита, който е извадил този диамант от дълбините, и на няколко милиарда години, като някои африкански диаманти. Решихме да изясним този въпрос и започнахме да изучаваме много рядък вид магматични скали - коматиити, които са се образували от почти пълното разтопяване на материята на дълбоката мантия само в архея, преди повече от 2 милиарда години. Тези стопилки са се образували в горещи мантийни струи, преминаващи от ядрото на Земята през преходната зона. В архейските времена Земята е била много по-гореща, отколкото е сега, и древните мантийни струи може вече да са били частично разтопени в преходната зона. Тъй като водата се разтваря лесно в стопилката, мантийните струи и след това коматиите трябваше да я вземат от преходната зона, ако, разбира се, вече беше там.

Изследвахме потоци лава от коматиит 2,7 Ga, взети от различни места в Канада. Беше безсмислено да се изследва съдържанието на вода в скалата, времето отдавна я беше превърнало в прах, променило състава й по неузнаваем начин, така че анализът на такива останки не би дал нищо. Затова започнахме да търсим включвания от стопилката на коматиит, капсулирани в оливин. Когато тези лави изригнаха на повърхността, оливинът, кристализирайки, улови микропорции от стопилката и напълно ги изолира от външната среда. И тези микропорции запазиха първоначалния си състав, включително съдържащите се в него летливи елементи. Именно в тези стопилки достигнахме първичното водно съдържание в тях и то се оказа високо.

По този начин доказахме, че огромен резервоар с вода, вероятно не по-малък от обема на съвременния океан, вече е съществувал на дълбочина от 410-660 км преди най-малко 2,7 милиарда години.

Работата на групата на Соболев беше финансирана от Руската научна фондация: изследователите получиха тригодишен грант „Произход на ултраосновни магми: коматиити, бонинити, меймечити“, в рамките на който им бяха отпуснати по 5 милиона рубли. годишно.

Въпреки това, както често се случва в науката, отговорът породи нови въпроси. Основният се отнасяше откъде може да дойде толкова много вода на такава внушителна дълбочина. Досега се смяташе, че водата достига до такива дълбочини по време на субдукцията на тектоничните плочи, когато при непрекъснатия си дрейф една плоча, когато се срещне с друга, започва да потъва под нея - първо под ъгъл, а след това почти вертикално. Слизайки надолу, плочите отнасят със себе си част от водата, която на повърхността е участвала в тяхната промяна. Заедно с плочите водните минерали, образувани в тях, се трансформираха и отидоха в дълбоката мантия и там водата се натрупваше в продължение на милиарди години, като част от твърдите минерали. Днес тази красива теория е поставена под въпрос от учените от GEOKHI: според техните изчисления твърде много вода се е натрупала в преходната зона още преди 2,7 милиарда години. И ако, както се смята днес, тектониката на плочите, а оттам и субдукцията, съществуват на Земята от около 3 милиарда години, триста милиона години явно не са достатъчни, за да се натрупа такова количество.

„Може би основната вода се е натрупала там в самото начало, по време на формирането на планетата, но това не е твърдение, а само въпрос, който все още чака отговор“, казва Александър Соболев.

Освен това в рамките на безвъзмездната помощ учените успяха да проучат откритите в Южна Африка коматиити, които са по-стари от канадските - възрастта им надхвърля 3,3 милиарда години.

„Сега завършваме анализа на африкански проби“, казва Соболев, „и се надявам, че тяхното изследване, резултатите от което планираме да публикуваме тази година, ще ни позволи да отговорим на въпроса как толкова много вода се е натрупала при такова дълбочини.”

На дълбочина 400-600 километра има три океана. Вярно, тук водата не се пръска, а се съхранява в своеобразни „капсули” от минерали. Статия за това сензационно откритие е публикувана в едно от най-престижните научни списания Nature. При това сред осемте автори петима са руснаци, останалите са от Франция и Германия. Екипът се ръководи от член-кореспондент на Руската академия на науките Александър Соболев от Института по геохимия и аналитична химия. Вернадски RAS. Това откритие може да принуди учените радикално да преразгледат теориите за формирането на Земята.

Учените отдавна подозираха съществуването на тази необичайна вода и преди няколко години природата им даде наистина кралски подарък, - казва Александър Соболев. - В Бразилия е открит диамант на 100 милиона години. Той е изваден на повърхността от голяма дълбочина, около 400-600 километра. В диамант учените са открили най-рядкото включване - минералът рингвудит. Но по-нататъшният анализ като цяло изуми експертите: минералът съдържа 1,4% вода. Ако това се изчисли за целия подземен минерал, се оказва, че в недрата са се натрупали гигантски запаси от вода. Рингуудит я попи като гъба.

Както винаги се случва в науката, това откритие повдигна много нови въпроси. И най-важното: как водните океани биха могли дори да стигнат до такава огромна дълбочина? Веднага беше изложена очевидна хипотеза: той "дойде" от повърхността на земята. Литосферните плочи се носят в океана, сблъскват се и отиват в мантията, отнасяйки със себе си част от водата (зона на субдукция). В продължение на стотици милиони, а може би и милиарди години, той се натрупва там, като е част от твърди минерали.

И тази красива версия е поставена под въпрос от руски учени. Но за това те трябваше да направят ново откритие: да определят възрастта на древната вода. Може да е като открит диамант на 100 милиона години или може да е на няколко милиарда.

От различните известни днес възрастови марки, които Земята изхвърли от голяма дълбочина на повърхността, ние избрахме една много рядка скала - коматиит, - казва Соболев. - Защо него? Науката със сигурност знае, че може да се е образувал, когато Земята е била много гореща и това е наблюдавано не по-късно от преди 2 милиарда години. Тогава температурата на планетата спадна и коматиите вече не се образуваха.

Учените успяха да намерят този рядък „белег“ на времето в Канада; той, заедно с водата, беше „запечатан“ в най-малките скални капсули с размерите на човешки косъм, изхвърлени на повърхността на земята от голяма дълбочина. И за да се извлече полезна информация от него, беше необходим уникален метод за анализ, разработен от руски учени. Извод: възрастта на минералната и древната вода е около 2,7 милиарда години.

Според учените сега е необходимо да се преразгледа тектоничната версия за това как океанът от вода се е озовал на такава дълбочина. Защо? Днес се смята, че движението на плочите е започнало преди около 3 милиарда години. Но тъй като откритата вода е на 2,7 милиарда години, се оказва, че гигантският подземен резервоар е бил напълнен за около 300 милиона години. Но това е нереалистично, тъй като се спуска много бавно и в малки "дози". Остава и друг вариант: водата се е появила в недрата на Земята едновременно с нейното раждане и образуването на планетата. Науката ще трябва да отговори доколко е вярна тази версия.