По мнению исследователей из Университета штата Огайо, ответ, вероятно, «и то и другое» — и то же количество воды, которое в настоящее время заполняет Тихий океан, может быть погребено глубоко внутри планеты прямо сейчас.На заседании Американского геофизического союза (AGU) 17 декабря они сообщают об открытии ранее неизвестного геохимического пути, с помощью которого Земля может улавливать воду в своих недрах в течение миллиардов лет и по-прежнему выделять небольшие количества на поверхность посредством тектоники плит, питая наши океаны изнутри.Пытаясь понять формирование ранней Земли, некоторые исследователи предположили, что планета была сухой и негостеприимной для жизни до тех пор, пока ледяные кометы не обрушились на Землю и не отложили воду на ее поверхность.
Венди Панеро, доцент кафедры наук о Земле в штате Огайо, и докторант Джефф Пиготт выдвигают другую гипотезу: Земля была сформирована с целыми океанами воды внутри себя и с тех пор непрерывно поставляет воду на поверхность посредством тектоники плит. .Исследователи давно считают, что мантия содержит немного воды, но сколько воды — загадка. И, если какой-то геологический механизм все это время поставлял воду на поверхность, неужели мантия к настоящему времени не исчерпала себя?Поскольку нет возможности напрямую изучать породы глубокой мантии, Панеро и Пиготт исследуют этот вопрос с помощью экспериментов по физике высокого давления и компьютерных расчетов.«Когда мы смотрим на происхождение воды на Земле, мы действительно спрашиваем, почему мы так отличаемся от всех других планет?» — сказал Панеро. «В этой солнечной системе Земля уникальна, потому что у нас есть жидкая вода на поверхности.
Мы также единственная планета с активной тектоникой плит. Возможно, эта вода в мантии является ключом к тектонике плит, и это часть того, что делает Землю пригодной для жизни. . "Центральное место в исследовании занимает идея о том, что горные породы, которые кажутся сухими человеческому глазу, на самом деле могут содержать воду — в форме атомов водорода, заключенных в естественных пустотах и дефектах кристаллов. Минералы богаты кислородом, поэтому, когда минерал содержит немного водорода, определенные химические реакции могут освободить водород, чтобы соединиться с кислородом и образовать воду.
Исследователи объяснили, что случайные атомы водорода могут составлять лишь крошечную часть мантии. Однако, учитывая, что мантия составляет более 80 процентов от общего объема планеты, эти случайные атомы составляют много потенциальной воды.В лаборатории в штате Огайо исследователи сжимают различные минералы, общие для мантии, и подвергают их воздействию высоких давлений и температур с помощью ячейки с алмазной наковальней — устройства, которое сжимает крошечный образец материала между двумя алмазами и нагревает его с помощью лазер — для моделирования условий в глубинах Земли.
Они исследуют, как кристаллические структуры минералов меняются при сжатии, и используют эту информацию для измерения относительной способности минералов накапливать водород. Затем они расширяют свои экспериментальные результаты с помощью компьютерных расчетов, чтобы раскрыть геохимические процессы, которые позволят этим минералам подняться через мантию на поверхность — необходимое условие для выхода воды в океаны.В статье, представленной в рецензируемый академический журнал, они сообщили о своих недавних испытаниях минерала бриджманита, формы оливина под высоким давлением.
Хотя бриджманит — самый распространенный минерал в нижней мантии, они обнаружили, что он содержит слишком мало водорода, чтобы играть важную роль в водоснабжении Земли.Другая исследовательская группа недавно обнаружила, что рингвудит, другая форма оливина, действительно содержит достаточно водорода, чтобы сделать его хорошим кандидатом для хранения глубинных вод. Поэтому Панеро и Пиготт сосредоточили свое исследование на глубине, на которой находится рингвудит — месте на глубине 325-500 миль под поверхностью, которое исследователи называют «переходной зоной» — как наиболее вероятной области, которая может вместить воду на планете.
Оттуда та же конвекция мантийных пород, которая создает тектонику плит, может выносить воду на поверхность.Одна проблема: если вся вода в рингвудите постоянно сливается на поверхность посредством тектоники плит, как планета может удерживать ее в резерве?Для исследования, представленного в AGU, Панеро и Пиготт выполнили новые компьютерные вычисления геохимии в самой нижней части мантии, глубиной около 500 миль и более.
Там другой минерал, гранат, выступил в качестве вероятного переносчика воды — посредника, который мог доставить часть воды из рингвудита вниз в сухую нижнюю мантию.По словам Панеро, если этот сценарий верен, Земля сегодня может содержать в своей глубине половину того количества воды, которое в настоящее время течет в океанах на поверхности, — количество, которое примерно равно объему Тихого океана.
Эта вода непрерывно циркулирует через переходную зону в результате тектоники плит.«Один из способов взглянуть на это исследование состоит в том, что мы накладываем ограничения на количество воды, которое может быть там внизу», — добавил Пиготт.Панеро назвал сложную взаимосвязь между тектоникой плит и поверхностными водами «одной из величайших загадок в науках о Земле».
Но это новое исследование подтверждает растущее подозрение исследователей, что мантийная конвекция каким-то образом регулирует количество воды в океанах. Это также значительно расширяет временную шкалу круговорота воды на Земле.
«Если вся вода Земли находится на поверхности, это дает нам одну интерпретацию круговорота воды, при которой мы можем представить себе круговорот воды из океанов в атмосферу и в грунтовые воды на протяжении миллионов лет», — сказала она. «Но если мантийная циркуляция также является частью круговорота воды, общее время цикла воды на нашей планете должно составлять миллиарды лет».