Вода, связанная в камне: учёные нашли новую роль мантии в истории океанов

Вода на Земле обычно ассоциируется с океанами и ледниками, но у планеты есть ещё один "скрытый" водный мир — в глубинах, куда не доберётся ни бур, ни батискаф.

Фото: eol.jsc.nasa.gov by Earth Science and Remote Sensing Unit, Lyndon B. Johnson Space Center, https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/

Космос

Новая работа показывает, что в самые ранние эпохи истории Земли недра могли удерживать куда больше воды, чем предполагалось, и это меняет представление о том, как формировался водный баланс планеты. Речь идёт о способности одного из главных минералов мантии буквально "запирать" молекулы воды внутри своей кристаллической решётки при экстремальных температурах. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Почему вопрос о воде в мантии так важен для истории Земли

Долгое время основная история появления воды на Земле выглядела относительно прямолинейно: раннюю планету бомбардировали богатые водой астероиды и ледяные кометы, а затем вода постепенно закрепилась на поверхности, сформировав океаны. Однако для молодой Земли ключевой проблемой было не только "получить" воду, но и удержать её - особенно в период, когда поверхность напоминала раскалённый магматический океан.

Новое исследование добавляет в эту картину важную деталь: значительная часть воды могла временно "прятаться" глубоко под поверхностью, в породах мантии. Если такие природные хранилища действительно были крупнее, чем считалось, то у ранней Земли появлялся дополнительный механизм защиты воды от потерь и перераспределения.

Гадейский эон и рождение мантии из магматического океана

Почти 4,4 миллиарда лет назад, в гадейский эон, Земля переживала период, когда её внешняя оболочка остывала после формирования и интенсивных столкновений. Тогда планету мог покрывать магматический океан — слой расплавленных пород, который медленно кристаллизовался, превращаясь в твёрдую мантию.

Именно в такие моменты решается судьба летучих компонентов: вода, растворённая в расплаве, может либо уйти вверх и стать частью атмосферы и будущих океанов, либо уйти вниз, встроившись в минералы, которые образуются при высоком давлении. Чем больше воды способна удерживать мантия, тем сложнее и интереснее становится ранний круговорот воды.

Бриджманит как "контейнер" для воды в глубинах планеты

Главный герой исследования — бриджманит. Это один из первых и наиболее распространённых минералов мантии; сегодня он составляет около 60% мантии Земли. Бриджманит формируется при очень высоких температурах и давлениях — как раз в условиях, характерных для внутренностей планеты.

В нижней мантии, которая простирается до глубин порядка 2890 километров, температуры могут превышать 4000 °C, а давление достигает величин, сравнимых с 700 000 атмосфер. При таких параметрах свойства минералов могут отличаться от того, что мы привыкли видеть на поверхности, и именно здесь скрывается ответ на вопрос: сколько воды действительно способна удерживать кристаллическая структура бриджманита.

Как учёные проверили это в лаборатории

Геохимик Вэньхуа Лу из Китайской академии наук в Гуанчжоу и его коллеги провели серию лабораторных экспериментов, воспроизводя условия глубокой мантии. Для этого использовали алмазную наковальню, нагреваемую лазером: образец породы сжимают между двумя алмазами, создавая колоссальное давление, а затем разогревают сфокусированными лазерами.

Такой подход позволяет наблюдать, как минерал ведёт себя там, где он реально существует в природе, а не в "упрощённых" условиях. В ходе экспериментов стало видно, что при повышении температуры бриджманит способен включать в свою кристаллическую структуру всё больше воды.

Что означают результаты для "скрытого океана" в мантии

Результаты указывают, что нагрев повышает способность бриджманита удерживать воду. Из этого следует важный вывод: нижняя часть мантии в раннюю эпоху могла содержать больше воды, чем более прохладная верхняя мантия. Ранее оценки часто исходили из того, что бриджманит почти "сухой" и содержит менее 220 частей на миллион воды по массе. Новая работа предполагает, что в глубине существовал значительный водный резервуар.

По оценке авторов, объём воды, который мог быть связан в древних мантийных породах, сопоставим с количеством воды, эквивалентным целому океану. Это не значит, что в недрах "плескались моря", но означает, что вода могла быть распределена по минеральной структуре в огромных масштабах — как химически связанный компонент, влияющий на эволюцию планеты.

Как вода могла выйти на поверхность и почему часть могла остаться внизу

Механизм обмена водой между поверхностью и недрами существует и сегодня: вода уходит вниз вместе с субдуцирующими тектоническими плитами, на время запирается в минералах, а затем возвращается на поверхность через вулканизм. В ранней Земле похожие процессы могли работать иначе по скорости и масштабу, но принцип "вниз — вверх" сохраняется.

Исследователи предполагают, что со временем перемешивание тектонических плит и восходящие потоки мантийных плюмов перераспределяли воду, выводя значительную её часть к поверхности. При этом полностью "осушить" глубины такой механизм не обязан: часть первобытной воды, по логике работы, может оставаться там до сих пор — просто в форме, которую трудно напрямую измерить.

Почему это важно для понимания обитаемости Земли

Стабильный круговорот воды — один из факторов, делающих Землю обитаемой. Если недра в ранней истории действительно могли служить крупным буфером, удерживающим воду, то обитаемость могла формироваться более устойчиво: океаны и атмосфера получали воду не только "снаружи" через доставку, но и "изнутри" через геологическое высвобождение по мере остывания и переработки мантии.

Эта "головоломка" состоит из множества деталей — от химии минералов до динамики плит, и новая работа добавляет к ней ещё один связующий элемент: температурная зависимость водоёмкости главного минерала нижней мантии.

Сравнение: где может храниться вода на Земле — поверхность и глубины

Если смотреть на планету как на систему резервуаров, различия становятся наглядными. Поверхность хранит воду в океанах, ледниках, озёрах и атмосфере — это относительно "быстрая" вода, которая участвует в климате и круговороте ежедневно и сезонно. Глубины же хранят воду иначе: в кристаллических структурах минералов мантии, где вода может быть связана и удерживаться на геологических масштабах времени.

Сценарий с бриджманитом делает нижнюю мантию похожей на сверхдолгосрочный аккумулятор: вода может накапливаться при формировании минерала в условиях высоких температур и давлений, а затем возвращаться на поверхность порциями — через перемешивание мантии, субдукцию и вулканизм.

Плюсы и минусы гипотезы о "влажной" нижней мантии

Этот взгляд на раннюю Землю выглядит перспективным, но требует аккуратной интерпретации.

 Плюсы:

1. Объясняет, как молодая Земля могла удерживать большие объёмы воды в период высокой геологической нестабильности.

2. Связывает происхождение океанов с глубинными процессами, а не только с внешней доставкой воды.

3. Опирается на лабораторное воспроизведение условий, близких к нижней мантии, а не на косвенные догадки.

4. Поддерживает идею сложного, многоэтапного формирования круговорота воды.

 Минусы:

1. Эксперименты воспроизводят условия в контролируемой среде, а природная мантия неоднородна и меняется во времени.

2. Оценки объёмов воды опираются на предположения о масштабах распространения минерала и его свойствах в древности.

3. Даже если вода была "заперта" в минералах, её реальная роль в динамике поверхности зависит от механизмов высвобождения, которые сложно восстановить напрямую.

Популярные вопросы о воде в мантии Земли

Может ли в недрах Земли быть "целый океан" воды?

В исследовании речь идёт о количестве воды, эквивалентном океану по объёму, но вода предполагается связанной в минералах, а не в виде подземного моря.

Почему именно бриджманит оказался важен?

Это самый распространённый минерал мантии (около 60%), и он образуется в условиях нижней мантии, где давление и температура максимальны.

Как учёные имитируют условия глубокой мантии в лаборатории?

Используют алмазную наковальню для создания сверхвысокого давления и лазерный нагрев для достижения нужных температур.

Что изменилось по сравнению с прежними оценками водоёмкости бриджманита?

Раньше предполагали, что он почти сухой (менее 220 частей на миллион воды по массе), а новая работа показывает, что при более высоких температурах способность удерживать воду возрастает.

Почему часть этой воды может находиться в глубинах до сих пор?

Потому что вода может надолго "запираться" в минералах мантии и возвращаться на поверхность лишь частями через геологические процессы, а не вся сразу.