«Лифт» в преисподнюю: В земную мантию по швам спускается больше воды, чем считалось ранее. Потому что водосодержащие минералы остаются стабильными во многих более холодных зонах субдукции на глубине до 240 километров, как теперь показал эксперимент. Это влияет на вулканизм и землетрясения в этих районах. По мере охлаждения недр Земли эти пласты могут в будущем поглотить дополнительную воду, эквивалентную объему всего Северного Ледовитого моря.
Хотя мантия Земли раскалена до сотен градусов и находится под высоким давлением, в ней есть вода. Это становится глубже, когда водосодержащие минералы в зонах субдукции погружаются вместе с тектоническими плитами в мантию земли. По оценкам, только глубоководные желоба Земли поглощают около трех миллиардов тонн воды каждый миллион лет. Часть этой воды высвобождается на глубине по мере разрушения минералов. Эта жидкость может подниматься и способствовать вулканическому образованию и землетрясениям на вышележащих тектонических плитах.
Полезные ископаемые как переносчики тектонических вод
Исследователи под руководством Юна Банга из Университета Йонсей в Сеуле теперь более подробно изучили, сколько воды в форме определенного минерала достигает глубин. В центре внимания находился минерал глаукофан, который относится к амфиболам и характерен, в частности, для так называемого голубого сланца. «Хотя амфиболы содержат только от одного до трех процентов веса H2O, они составляют большую часть метаморфической коры океана», - объясняют исследователи..
Таким образом, амфиболы представляют собой крупнейший тектонический сток воды. «Однако эти минералы обычно не выдерживают температуры и давления на глубине более 100 километров», - объясняет коллега Бэнга Йонджэ Ли. Потому что при температуре около 670 градусов и давлении более двух гигапаскалей глаукофан превращается, в том числе, в эклогитовые минералы с меньшим содержанием воды - это было предыдущее предположение.
Более стабильно, чем ожидалось
Но, как теперь показали эксперименты при высоком давлении, глаукофан более стабилен на больших глубинах, чем считалось ранее. Для своего эксперимента исследователи подвергали образцы минералов воздействию различных комбинаций давления и температуры в алмазном прессе высокого давления. Экстремальным было 7,8 гигапаскаля и 1390 градусов. С помощью рассеяния рентгеновских лучей в луче источника рентгеновского излучения Petra III на немецком электронном синхротроне DESY они определили момент распада глаукофана на другие минералы.
Результат: Минерал оставался стабильным до давления 7,6 гигапаскалей и температуры 660 градусов. Только после этого он обезвоживается и распадается на пироксен и коэсит, как показали опыты. «Это значительно увеличивает стабильность глаукофана по сравнению с предыдущими исследованиями», - сообщают Банг и его коллеги.
На глубине до 240 километров в холодных зонах субдукции
Это означает, что этот водоносный минерал океанической коры может оставаться стабильным на глубине до 240 километров в некоторых так называемых «холодных» зонах субдукции. Как объясняют исследователи, эти границы плит сейчас составляют около 28,5% всех зон субдукции на Земле. Они включают в себя множество глубоководных желобов в Тихом океане. С другой стороны, в теплых зонах субдукции, например, у западного побережья Чили, температура увеличивается с глубиной быстрее, так что водосодержащий минерал распадается уже на глубине около 60 километров.
Эти находки позволяют сделать выводы об истории Земли и охлаждении земных недр. Потому что с момента образования нашей планеты тепловой резервуар в ее недрах сокращается и слои земли медленно остывают. В настоящее время скорость охлаждения составляет от 50 до 100 градусов Цельсия за миллиард лет. Только благодаря этому процессу возникают холодные зоны субдукции - зоны в мантии Земли, где температура с глубиной повышается медленнее, чем где-либо еще.
Проглоченный объем воды Северного Ледовитого океана
Но охлаждение земных недр продолжится и в будущем. В результате продолжает увеличиваться доля зон холодной субдукции, а вместе с ней и перенос воды в мантию. «Если предположить, что все зоны субдукции рано или поздно остынут, то объем Северного Ледовитого океана может быть дополнительно сохранен в мантии Земли за 200 миллионов лет», - говорит Банг.
Поскольку эта вода проникает на большую глубину, чем сегодня, она также может влиять на тектонические явления, такие как землетрясения и вулканизм. Потому что это, прежде всего, разложение водоносных минералов на небольших глубинах, вызывающее эти явления. «Поскольку Земля продолжает остывать, мы можем ожидать, что перенос воды в недра Земли будет распространяться на большие глубины, тем самым подавляя землетрясения и вулканизм», - объясняет Ли.
Последний запас воды на умирающей Земле?
В очень отдаленном будущем этот водный транспорт может даже способствовать высыханию нашей планеты меньше, чем предполагалось. Согласно моделям, медленно увеличивающееся излучение стареющего солнца испарит океаны примерно через миллиард лет. Наша голубая планета станет планетой-пустыней.
Но, по крайней мере, согласно новым данным, в мантии земли земля могла сохранить остатки прежней воды. «Похоже, что Земля могла бы хранить часть своей поверхностной воды внутри и, таким образом, спасти ее от потери в космосе», - говорит Ли.