Представьте, что все наши океаны, моря и реки - это лишь крошечная часть водных запасов планеты. Традиционные учебники географии учили нас, что вода сосредоточена на поверхности и в атмосфере. Однако последние открытия геологов переворачивают эти представления с ног на голову. Прямо сейчас на глубине в сотни километров под нашими ногами заперт гигантский подземный резервуар, который превосходит по объему весь Мировой океан. И это не фантастика в стиле Жюля Верна, а сухой расчет и результаты серьезных геофизических исследований. Ученые нашли доказательства существования этой воды там, где никто не ожидал ее увидеть.
Тайны подземного мира: что скрывает мантия Земли
Долгое время исследователи спорили о том, откуда на Земле появилось столько воды и где пролегают границы ее круговорота. Ответ лежал глубоко в так называемой транзитной зоне мантии - слое, который разделяет верхнюю и нижнюю мантию на глубине от 410 до 660 километров. Долгое время эта зона оставалась для науки «черным ящиком», ведь пробурить скважину на такую глубину технически невозможно. Самая глубокая в мире Кольская сверхглубокая скважина достигла отметки всего в 12262 метра, что по масштабам планеты напоминает легкий укол иголкой.
Геофизики нашли другой способ заглянуть внутрь планеты. Они стали изучать сейсмические волны от землетрясений. Проходя сквозь разные слои, эти волны меняют скорость. И вот тут ученые заметили странность: на определенной глубине сейсмические волны резко замедлялись. Такое поведение волн обычно указывает на присутствие мокрой горной породы. Но как вода может существовать в условиях колоссального давления и температуры выше тысячи градусов Цельcия? Она должна была просто испариться или превратиться в пар, разрушив породу.
Минерал рингвудит: природная губка на глубине в сотни километров
Разгадка кроется в особом минерале, который называется рингвудит. В обычных условиях на поверхности Земли вы его не найдете. Он формируется исключительно в условиях экстремального давления. Физические свойства рингвудита уникальны тем, что его кристаллическая структура действует как мощный магнит для ионов водорода и кислорода. Простыми словами, этот минерал работает как губка, которая впитывает воду.
При этом внутри мантии нет привычных нам подземных озер или бушующих волн. Вода там не течет в виде жидких рек. Она заперта на молекулярном уровне прямо внутри кристаллической решетки камня. Рингвудит может содержать до 1,5–2% воды от своего веса. Кажется, что это мало. Но если учесть гигантские объемы транзитной зоны мантии, то эти скромные проценты превращаются в астрономические цифры.
Как алмазы выносят секреты мантии на поверхность
Долгое время существование обводненного рингвудита оставалось красивой теоретической моделью, которую рассчитывали на компьютерах и проверяли в лабораториях с помощью гидравлических прессов. Серьезным ученым требовались прямые доказательства, вещественные улики из глубин планеты. И в 2014 году международная группа исследователей под руководством Грэма Пирсона получила такую улику.
Помог случай и обычный, на первый взгляд, сверхглубокий алмаз, найденный в Бразилии. Алмазы формируются на огромной глубине и во время своего подъема на поверхность с потоками магмы часто захватывают крошечные частицы окружающих минералов. Эти включения остаются законсервированными внутри прочнейшей алмазной оболочки, сохраняя первозданное состояние.
Когда ученые изучили этот бразильский алмаз с помощью инфракрасной спектроскопии, они обнаружили внутри него микроскопический образец рингвудита. И этот образец содержал около 1,4% связанной воды. Это открытие стало первым прямым вещественным доказательством того, что глубоко в недрах планеты находятся колоссальные запасы влаги.
Сколько воды прячется в недрах планеты
Давайте посчитаем объемы. Группа геофизиков из Северо-Западного университета в США во главе с Стивом Якобсеном объединила данные сейсмических наблюдений по всей территории страны с результатами лабораторных экспериментов. Они воссоздали условия транзитной зоны мантии и пустили через образцы рингвудита искусственные сейсмические волны.
Результаты совпали идеально. Если транзитная зона мантии хотя бы частично заполнена таким мокрым минералом, то объем скрытой там воды превышает объем всех поверхностных океанов Земли вместе взятых в три раза. Мы привыкли считать нашу планету голубой из-за обилия морей, но основная часть водного богатства скрыта под твердой корой.
Почему подземный океан спасает жизнь на поверхности
Возникает логичный вопрос: какое значение это имеет для нас, жителей поверхности? На самом деле, эта скрытая вода играет ключевую роль в поддержании стабильности жизни на Земле. Геологический круговорот воды связывает недра и поверхность в единую систему.
Через зоны субдукции, где тектонические плиты заходят друг под друга и погружаются в мантию, вода с поверхности уходит на глубину. Там она консервируется в минералах. Затем, через миллионы лет, во время извержений вулканов и тектонических сдвигов, эта влага в виде пара снова возвращается в гидросферу.
Если бы эта вода не удерживалась в мантии, она давно бы вышла на поверхность. В таком случае Земля была бы полностью покрыта водой, а над поверхностью выступали бы лишь вершины самых высоких горных хребтов. Тектоника плит и уникальные свойства рингвудита удерживают баланс, сохраняя сушу для жизни.
Изучение глубинных слоев планеты продолжается. Каждое новое исследование подтверждает, что мы еще очень плохо знаем дом, на котором живем. Подземный океан в мантии Земли показывает, насколько сложны и взаимосвязаны процессы внутри планет земной группы, и помогает ученым лучше понять эволюцию не только Земли, но и Марса с Венерой.
Источники:
Находка обводненного рингвудита в алмазе (Университет Альберты): Исследование Pearson, D. G., Brenker, F. E., Nestola, F. et al. (2014). "Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond". Nature.
Сейсмические доказательства воды в транзитной зоне (Северо-Западный университет / Университет Нью-Мексико): Исследование Schmandt, B., Jacobsen, S. D., Becker, T. W. et al. (2014). "Dehydration melting at the top of the lower mantle". Science.
Экспериментальное изучение структуры рингвудита (Геофизическая лаборатория Карнеги): Исследование Smyth, J. R., Holl, C. M., Frost, D. J. et al. (2003). "Water in Proposals of Deep Mantle Mineralogy: Ringwoodite structural chemistry". American Mineralogist.