Не с неба и не из комет: откуда на самом деле могла взяться вода на Земле

Эксперименты показали водный резервуар в глубинах Земли — Китайская академия наук

Глубоко под нашими ногами, в слоях мантии, которые никогда не видели солнечного света, может скрываться древний резервуар воды планетарного масштаба. Новые лабораторные эксперименты показывают: на ранних этапах истории Земли нижняя мантия могла удержать количество воды, сопоставимое с целым океаном. Эти результаты меняют представления о том, откуда взялись земные океаны и почему планета сумела сохранить пригодные для жизни условия. Об этом сообщают исследователи из Китайской академии наук.

Вода на расплавленной ранней Земле

Работу возглавил профессор Чжишу Ду из Гуанчжоуского института геохимии (GIGCAS). Его команда изучает, как вода встраивалась в минералы мантии в эпоху, когда Земля была почти полностью расплавленной.

В первые миллионы лет после формирования планеты мощные столкновения, вероятно, создали глобальный магматический океан. Поверхностная вода в таких условиях легко улетучивалась в космос, и долгое время оставалось неясным, как Земля впоследствии получила свои океаны. Ранее считалось, что нижняя мантия почти сухая, а основное хранилище воды — переходная зона между верхней и нижней мантией.

Намёки из глубинных лав

Первые сомнения в этой картине возникли при изучении изотопов водорода в лавах с острова Баффин и Исландии. Эти породы, по мнению геохимиков, поднимаются из глубинных, изолированных областей мантии, сохранивших древний состав. Такие данные хорошо вписываются в более широкие представления о том, что внутренние слои планеты могут хранить "память" о ранней Земле, подобно тому как это обсуждается в материалах о глубинных источниках вулканизма.

Даже небольшое количество воды, встроенное в минералы, способно изменить вязкость пород, температуру плавления и характер тепловой конвекции.

Бриджманит — неожиданный "губка"

Основным минералом нижней мантии считается бриджманит — форма силиката магния, стабильная при сверхвысоких давлениях. Долгое время его считали практически неспособным удерживать воду, из-за чего нижнюю мантию представляли почти сухой.

Новая работа сосредоточилась на коэффициенте распределения — показателе того, предпочитает ли вода оставаться в расплаве или переходить в кристаллы.

"Наши результаты показывают, что при высоких температурах вода гораздо охотнее входит в структуру бриджманита", — отметил геохимик Вэньхуа Лу.

Эксперименты на пределе возможностей

Для воссоздания условий глубокой мантии учёные использовали алмазную наковальню, сжимая образцы до экстремальных давлений. Лазерный нагрев поднимал температуру примерно до 4100 °C — значений, близких к условиям магматического океана.

Эксперименты проводились при разных давлениях и временах выдержки, что позволило смоделировать глубины от верхней части нижней мантии до области, близкой к границе ядра и мантии. Такой подход напоминает другие современные попытки "заглянуть" в недра планеты, о которых писали в исследованиях по физике экстремальных давлений.

Как измеряли воду в минералах

После охлаждения образцов команда применила комплекс микроаналитических методов. С помощью NanoSIMS они измеряли содержание воды в отдельных кристаллах, а криогенная электронная дифракция и атомно-зондовая томография позволили увидеть, где именно водород располагается внутри решётки.

Результаты показали, что вода была не в виде пузырьков, а структурно встроена в бриджманит, что принципиально меняет оценку водоёмкости нижней мантии.

Резервуар размером с океан

По мере роста температуры всё больше воды переходило из расплава в кристаллы. При экстраполяции этих данных на условия ранней Земли выяснилось, что нижняя мантия могла удержать эквивалент от 0,8 до 1 океана воды.

В такой модели именно глубокая мантия становится крупнейшим водохранилищем планеты — в 5-100 раз более ёмким, чем предполагали прежние оценки.

Влияние на тектонику и обитаемость

Вода в мантийных породах снижает вязкость и облегчает течение вещества. Более "влажная" мантия могла способствовать запуску тектоники плит, ослабляя границы между литосферными блоками. Со временем мантийная конвекция возвращала часть воды на поверхность через вулканизм.

Изотопные данные показывают, что часть этой древней воды может сохраняться в глубинах до сих пор. Это помогает объяснить, почему объём океанов оставался относительно стабильным на протяжении миллиардов лет и как поддерживалась обитаемая поверхность.

Сравнение старых и новых моделей

Ранние модели рассматривали нижнюю мантию как почти сухую область. Новые эксперименты показывают, что при высоких температурах бриджманит способен удерживать гораздо больше воды. Это не означает, что современная мантия "залита" водой, но её ранняя история, вероятно, была намного более влажной.

Плюсы и ограничения нового подхода

Эксперименты дают прямые измерения, а не косвенные догадки. Однако они моделируют экстремально горячие условия, и будущие исследования должны показать, сколько воды сохранилось при более низких температурах по мере остывания планеты.