«Водный океан» в мантии Земли

Само существование воды, а вернее её составных элементов H+ и OH- в мантии – давно не секрет для геологов. Пребывают эти катионы и анионы, как летучие компоненты. Доказано это тем, что при поднятии мантийного вещества (магмы) наверх, где условия менее экстремальны, чем в мантии, простые силикатные минералы усложняются, и в их кристаллическую решётку входит анион OH-. Яркими такими примерами являются минералы группы амфиболов и слюды.

Долго не могли определиться с причиной нахождения катионов и анионов воды в мантии. Основная гипотеза – возврат в мантию минералов с анионом OH- посредством субдукции, то есть погружением в мантию плиты с океанической корой под континентальную. Рано или поздно под собственным весом часть погружённой плиты (слэб) отрывается от плиты и под воздействием крайне высоких температур и давлений слэб как бы растворяется в мантии, а если говорить правильнее, происходит упрощение кристаллических решёток минералов в экстремальных условиях мантии. Вследствие этого из минералов высвобождаются летучие компоненты, в том числе и анион OH-. Таким же способом в недра Земли попадает и CO2 из карбонатных минералов, входящих в осадочный чехол субдуцирующей плиты.

Но эта точка зрения не могла полностью ответить на все вопросы. К примеру, сколько попадает в мантию стабильных минералов с конституционной водой, или она уходит до этого. Так же не было ясно, как материал субдуцирующих плит усваивается в мантии, так как в переходной зоне между верхней и нижней мантией происходят минеральные преобразования, препятствующие движению горных пород в мантии. Переходная зона начинается на глубине 410 км, где оливин в ходе минеральных преобразований переходит в более плотный вадслеит (уэдслиит), а на глубине 520 км вадслеит переходит в ещё более плотный рингвудит.

Международное исследование немецко-итальянско-американской группы проанализировало найденный алмаз из Ботсваны, сформированный как раз в этой переходной зоне между верхней и нижней мантией, где рингвудит – породообразующий минерал. Данный алмаз содержал многочисленные включения рингвудита. В ходе дальнейших спектральных анализов рингвудита было установлено достаточно высокое содержание компонентов воды в нём. Также по химическому составу выяснили и то, что по составу этот рингвудит такой же, как и мантийные породы, доказывая его происхождение в мантии. Первые находки образцов «водного» рингвудита были ещё 2014 году, но его изучение было невозможным из-за слишком малых включений этого минерала. Более поздние находки рингвудита в алмазах были куда крупнее, что дало определить точный химический состав.

Это исследование дополняет уже имеющие представления о геодинамике в недрах Земли. Так, глубинные мантийные плюмы, зарождающиеся на границе ядро-мантия, останавливаются на переходной зоне между верхней и нижней мантией и нагревают эту зону богатую "водой". Это приводит к образованию уже новых мантийных плюмов, которые поглощают компоненты воды в этой переходной зоне. Далее уже водонасыщенные плюмы подымаются уже в верхней мантии, где вода из плюмов высвобождается и снижает температуру плавления в этих условиях. Из этого можно сделать вывод, что породы погружённых литосферных плит в мантию «усваиваются» на меньших глубинах, чем предполагалось. Да и в целом этот процесс говорит о куда большей динамичности пород верхней мантии, чем предполагалось ранее.

Разумеется происходит и обратный процесс по возвращению "воды" в эту переходную зону, о чём в исследовании умалчивается. Мантийные плюмы представляют собой конвективные потоки, которые, поднявшись наверх, остывают и затем опускаются обратно, возвращая воду в переходный слой между верхней и нижней мантией. Это объясняет беспрерывное повторение циклов вышеописанных процессов на протяжении всей истории геологического развития Земли.

Таким образом, теория тектоники плит и вытекающая из неё теория мантийных плюмов, сформированные ещё во второй половине 20-ого века, в ходе уже современных исследований уточняются. Это даёт большее понимание о процессах в недрах Земли, недоступные для прямого наблюдения и изучения человеком.