Куда исчез океан

17.07.2019 | География

Международная группа исследователей, среди которых были и российские ученые, проанализировала воду в образце древнего минерала коматиита и обнаружила, что вода в больших количествах наличествовала в земной мантии на глубинах в сотни километров более 3,3 миллиарда лет назад. Это весьма важный вывод, поскольку до недавних пор считалось, что движение тектонических плит началось на сотни миллионов лет позже.

© Adobe Stock

Исследовать материал из глубокой мантии планеты очень сложно, поскольку туда нет прямого доступа. Ученым приходится полагаться на образцы, вынесенные на поверхность вулканической активностью, например на вулканические породы-коматииты. Однако по пути наверх они теряют значительную часть своих высоколетучих компонентов — воды и хлора. Это значит, что понять, есть ли вода в глубокой мантии и сколько ее там может быть, по большинству образцов невозможно. Лишь в 2016 году в образцах вулканических пород, вынесенных на поверхность в Канаде (древностью в 2,7 миллиарда лет), удалось найти «капсулы» с включениями древней затвердевшей магмы, окруженной другим по составу материалом. В ней были обнаружены высоколетучие компоненты. Так в 2016 году исследователи установили, что глубокие мантийные породы содержат большое количество воды и хлора. По их оценкам, воды в мантии на глубине 410—660 километров фактически может быть заметно больше, чем во всем Мировом океане.

Это весьма важный вывод по ряду причин. Во-первых, вода сильно влияет на физические свойства вещества мантии, изменяя ее способность к расплавлению и конвекции, подъему к поверхности. Соответственно, она влияет и на геологию планеты, и на частоту и интенсивность вулканических извержений. Зная о том, что подземная вода, связанная в магматических породах, по массе превосходит океаническую, можно намного лучше понять происходящее в земных недрах.

Второе важное последствие работы 2016 года — понимание того, что тектоника плит работала уже 2,7 миллиарда лет назад.

Дело в том, что вода в мантии могла появиться только сверху и только с тектоникой плит. Океаническая часть земной коры за счет взаимодействия ее минералов и воды связывает большое количество последней. Океаническая кора периодически тонет в мантии под напором наползающих на нее соседних тектонических плит. В итоге породы ее попадают в глубокую мантию, насыщая последнюю водой. Если следы воды есть в коматиите 2,7 миллиарда лет назад, значит, тектонические плиты двигались уже тогда. Именно тектонике плит ставят в заслугу  относительную стабильность земного климата и отсутствие на нашей планете катастрофических извержений вроде тех, что периодически случаются на Венере.

В новой работе, вышедшей в Nature, исследователи проанализировали состав образца «капсулы» коматиитовой магмы из района Барбертон в ЮАР. Возраст образца надежно определен в 3,3 миллиарда лет. Его нагревали в специальной высокотемпературной установке, способной выдерживать до 1700 °С. Затем авторы анализировали соотношение изотопов различных атомов в этом образце. Оказалось, что в нем пониженное количество атомов дейтерия (тяжелого водорода) в сравнении с атомами обычного, «легкого» водорода. Водород там происходил от связанной в материале воды, поэтому соотношение его изотопов несет важную информацию о происхождении этой воды. Если бы вода в коматиите была привнесена не из морской воды с поверхности Земли, дейтерия и водорода в ней должно было бы быть нормальное количество. Однако если вода попала в древний коматиит сверху, с породами океанической коры, опустившейся вниз из-за тектоники плит, то дейтерия, более тяжелого изотопа, в ней должно быть меньше. Таким образом, работа показывает, что источником воды «подземного океана Земли» следует считать воды из поверхностного океана. Причем вода эта опускалась вниз уже как минимум 3,3 миллиарда лет назад.

Вопрос о том, когда на Земле началось движение плит, весьма важен. Считается, что тектоника плит прямо связана с обитаемостью планеты. Однако, по последним данным, жизнь на нашей планете древнее 4 миллиардов лет. Если тектоники плит, как считалось до недавних пор, не было до 3 миллиардов лет назад (а ряд работ называли и более поздние даты), то получается, что как минимум примитивная жизнь в ней не нуждается. Если же древность тектоники плит очень велика, то, возможно, жизнь все же коррелирует с этим явлением.

Статья опубликована в журнале Nature