Ученые из Института геохимии Китайской академии наук обнаружили, что огромные объемы воды могли быть заключены в глубинах мантии при кристаллизации расплавленной Земли. Главную роль сыграл бриджманит — самый распространенный минерал мантии, который действовал как микроскопический «контейнер для воды».
Бриджманит — силикат магния и железа со структурой перовскита — составляет около 38% объема всей Земли и доминирует в нижней мантии на глубинах от 660 до 2900 километров. Этот минерал образуется только при давлениях выше 23 гигапаскалей, что соответствует глубине более 660 километров. В обычных условиях на поверхности бриджманит нестабилен и быстро разрушается, поэтому долгое время его изучали только в лабораторных экспериментах высокого давления. Природный бриджманит впервые был обнаружен в метеорите в 2014 году.
Около 4,6 миллиарда лет назад Земля представляла собой раскаленный шар магмы. Постоянные столкновения с небесными телами превращали ее поверхность и недра в бушующий огненный океан, где жидкая вода существовать не могла. Поскольку сегодня 70% поверхности планеты покрыто океанами, вопрос о том, как вода сохранилась при переходе от расплавленного состояния Земли к твердому, долго оставался загадкой.
Команда под руководством профессора Ду Чжисюэ решила проверить способность бриджманита удерживать воду в экстремальных условиях. Предыдущие исследования, проводившиеся при относительно низких температурах, показывали ограниченную способность этого минерала к накоплению воды.
Ученые создали алмазную наковальню с лазерным нагревом, которая позволила поднять температуру до 4100°C и воссоздать условия на глубинах свыше 660 километров. Для анализа мельчайших образцов — меньше десятой доли толщины человеческого волоса — применили криогенную трехмерную электронную дифракцию и атомно-зондовую томографию. Эти методы позволили визуализировать распределение воды и подтвердить, что она структурно растворена в бриджманите. Работа опубликована в журнале Science.
Океан в нижней мантии
Ученые показали: способность бриджманита удерживать воду резко возрастает с повышением температуры. Это означает, что в фазе «магматического океана» кристаллизующийся бриджманит мог сохранить гораздо больше воды, чем считалось ранее.
Моделирование процесса кристаллизации показало, что нижняя мантия стала крупнейшим водным резервуаром после затвердевания планеты — ее емкость оказалась в 5-100 раз больше прежних оценок. Общий объем воды в ранней твердой мантии мог составлять от 0,08 до 1 объема всех современных океанов.
Эта глубинная вода действовала как «смазка» для геологических процессов: понижала температуру плавления и вязкость пород, способствовала внутренней циркуляции и движению плит. Со временем вода постепенно возвращалась на поверхность через магматическую активность, формируя первичную атмосферу и океаны Земли.