Достать воду из камней - идея, в которой есть что-то сказочное: при прикосновении волшебной палочки камень раскрывается и выпускает прохладную воду. В глазах геологов мир не выглядит таким уж чудесным; тем не менее, их открытия дают достаточно поводов для удивления. Очевидно, поэтому «сухие» породы могли содержать большие резервуары воды, в основном там, где до недавнего времени меньше всего подозревали специалисты: в глубинах земной мантии.
В Институте геологии и минералогии Университета Эрлангена-Нюрнберга профессор Эстер Шмадике исследует водоудерживающую способность минералов, которые долгое время считались чрезвычайно бедными водой. До сих пор предполагалось, что воды в мантии Земли на глубине от 100 до 150 километров больше быть не должно. Это предположение разумно, потому что минералы, которые, как известно, хранят воду, имеют ограниченную способность противостоять давлению, увеличивающемуся по мере удаления от земной поверхности. Даже наиболее устойчивые к давлению водоносные минералы, такие как амфибол и флогопит, разрушаются, как только давление превышает 30-40 килобар, как это имеет место на указанной глубине.
Огромная мощность этого «пресса» превращает амфибол в безводный пироксен. Это высвобождает воду, которая может вызвать таяние горных пород в мантии, создавая магму. Большая часть мантии, простирающаяся до предела земного ядра на глубине 2900 километров, поэтому должна быть почти безводной, так как она состоит только из горных пород с «сухими» минералами, такими как оливин и пироксен, и их высокобарическими эквиваленты.
Высокое давление создает больше дефектов
Согласно недавним открытиям, однако, возможно, что решетка этих минералов содержит строительные блоки воды в качестве инородных тел, так называемые гидроксильные дефекты, группы из одного атома кислорода и одного атома водорода. Доля дефектов OH колеблется от десяти частей на миллион (ppm) до нескольких сотен частей на миллион. Какие факторы способствуют включению таких дефектов в решетку минералов, можно выяснить с помощью экспериментов.
Для таких «тайных» источников воды дело не в том, что они выталкиваются из породы возрастающим давлением. Напротив, первоначальные результаты экспериментальной петрологии показывают, что способность минералов поглощать OH увеличивается по мере увеличения давления.
Больше воды, чем во всех океанах вместе взятых?
Это означает, что более глубокие участки земной мантии также могут функционировать как резервуары для воды. Концентрации там могут быть на порядок выше, чем те, которые были измерены в экспериментах до сих пор. Несмотря на относительно небольшую долю воды в горных породах, объем мантии Земли способен вместить количество воды, которое намного превышает количество воды во всех океанах.
Никто не может ответить на вопрос, соответствует ли экспериментально определенная емкость хранения фактическому содержанию воды в мантии Земли. Глубже 150 километров пройти невозможно; большая часть мантии ускользает от прямого исследования.
Изучаются породы Срединно-Атлантического хребта
Тем не менее, фрагменты земной мантии могут переноситься на земную поверхность лавой с относительно небольших глубин. Кроме того, на срединно-океанических хребтах обнаружены участки, где океаническая кора местами отсутствует, а породы мантии лежат на поверхности. Если проанализировать содержание воды в таких образцах, то можно оценить, по крайней мере, водоносный резервуар самой верхней мантии.
Считается, что плотность гидроксильных дефектов в мантийных минералах оказывает значительное влияние на физические свойства мантии, такие как электропроводность или поведение потока, а также играет важную роль в тектонике плит, конвекции в недрах Земли, перенос тепла и магматизм.
В Эрлангене предстоит анализ пород Срединно-Атлантического хребта, пробуренных в рамках «Комплексной программы океанического бурения» (IODP) в районе 14-16º северной широты. Эта программа глубоководного бурения, в которой участвуют ученые из более чем 20 стран, служит для исследования ранее недоступных участков морского дна.