Около 4,6 миллиарда лет назад Земля была совсем не похожа на ту уютную голубую планету, которую мы знаем сегодня. Частые и мощные удары небесных тел взбалтывали её поверхность и недра, превращая их в бурлящий океан магмы — в такой экстремальной среде жидкая вода существовать не могла, и вся планета напоминала адское пекло.
Поскольку сейчас 70% поверхности Земли покрыто океанами, вопрос о том, как вода сохранилась и сохранилась ли на нашей планете в период от расплавленного состояния до преимущественно твёрдого, долгое время был предметом научных исследований.
Недавно группа исследователей под руководством профессора Ду Чжисюэ из Гуанчжоуского института геохимии Китайской академии наук (GIGCAS) обнаружила, что значительные объёмы воды могли быть эффективно «заперты» глубоко в мантии, когда она кристаллизовалась из расплавленного состояния.
Результаты исследования
Результаты исследования, [опубликованные](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5883) в журнале Science, меняют наше понимание хранения и распределения воды в глубинах Земли. В частности, учёные выяснили, что бриджманит, самый распространённый минерал в мантии Земли, действует как микроскопический «контейнер для воды», позволяя ранней Земле сохранить значительное количество воды в мантии по мере затвердевания планеты.
По мнению команды, эта раннезахваченная вода могла сыграть решающую роль в превращении Земли из огненного ада в пригодный для жизни мир.
Предыдущие исследования
Предыдущие исследования, основанные на относительно низкотемпературных экспериментальных условиях, предполагали, что бриджманит имеет ограниченную способность хранения воды. Исследователи хотели проверить эту гипотезу, но столкнулись с двумя серьёзными проблемами. Во-первых, им нужно было смоделировать экстремальные условия, встречающиеся на глубинах более 660 километров в лаборатории. Во-вторых, они должны были точно определить сигналы воды в образцах бриджманита — некоторые из них были меньше одной десятой ширины человеческого волоса — при концентрациях всего в несколько сотен частей на миллион.
Преодоление препятствий
Они преодолели эти препятствия, создав экспериментальную установку с алмазной наковальней, оснащённую лазерным нагревом и высокотемпературной визуализацией. Это самодельное устройство для моделирования сверхвысокого давления резко повысило экспериментальные температуры — до экстремальных значений около 4100 °C. Эта система успешно воссоздала условия в глубоких слоях мантии и позволила точно измерить равновесные температуры, заложив основу для понимания роли температуры в поглощении воды минералами.
Используя передовые аналитические платформы GIGCAS, исследователи применили такие методы, как криогенная трёхмерная электронная дифракция и NanoSIMS. В сотрудничестве с профессором Лонг Тао из Института геологии Китайской академии геологических наук они также интегрировали атомно-зондовую томографию (АПТ).
Вместе эти инструменты позволили разработать инновационные методы анализа воды в микро- и нанометровом масштабе, фактически оснастив микроскопический мир ультравысокоразрешающими химическими КТ-сканерами и масс-спектрометрами. Эта технология позволила команде чётко визуализировать распределение воды в крошечных образцах и подтвердить, что вода структурно растворена в бриджманите.
Выводы
Данные команды показали, что «влагоудерживающая» способность бриджманита (измеряемая его коэффициентом распределения воды) значительно возрастает с повышением температуры. Это означает, что во время самой горячей фазы «магматического океана» Земли кристаллизующийся бриджманит мог удерживать гораздо больше воды, чем считалось ранее, что напрямую опровергает давнее представление о том, что глубокие слои нижней мантии почти сухие.
Основываясь на этом открытии, команда смоделировала кристаллизацию магматического океана. Моделирование показывает, что благодаря высокой способности бриджманита удерживать воду при ранних высоких температурах нижняя мантия стала крупнейшим резервуаром воды в твёрдой мантии после затвердевания магматического океана. Ёмкость хранения, как указывает модель, может быть в 5–100 раз больше, чем предполагалось ранее. Общий объём воды, сохранившейся в ранней твёрдой мантии, мог составлять от 0,08 до одного объёма всех современных океанов.
Эта глубоко погребённая вода не была статическим запасом. Вместо этого она действовала как «смазка» для массивного геологического механизма Земли: она снижала температуру плавления и вязкость мантийных пород, способствуя внутренней циркуляции и движению плит и обеспечивая планете устойчивую эволюционную жизнеспособность. Со временем эта вода, изолированная в магме, постепенно «закачивалась» обратно на поверхность, способствуя формированию примитивной атмосферы и океанов Земли.
Исследователи отметили, что «искра воды», запечатанная в ранней структуре Земли, вероятно, послужила решающей силой, превратившей нашу планету из магматического ада в голубой, дружелюбный к жизни мир, который мы знаем сегодня.
Предоставлено
[Китайская академия наук](https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/)