В нескольких сотнях километров под поверхностью Земли существует океан воды, глубинный резервуар, который образовался уже в архейском периоде, более 2,7 млрд лет назад.
Правда, океан этот необычный: он непригоден ни для плавания, ни для навигации, ни вообще для жизни, потому что со времен его зарождения вода в нем находится в окаменелом состоянии, а точнее, в кристаллической структуре минералов, образовавшихся более 2 млрд лет назад.
К такому выводу о возрасте окаменелого океана пришли российские ученые из Института геохимии и аналитической химии им. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) с помощью коллег из Франции и Германии. Статья об их исследовании, выполненном при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), была опубликована в последнем номере журнала Nature в ночь на четверг по московскому времени.
О существовании огромных резервуаров «окаменелой» воды глубоко под землей ученые подозревали уже давно, однако первые доказательства получили совсем недавно. Два года назад в Nature вышла статья канадских ученых, проанализировавших состав редкого минерала рингвудита, включение которого было обнаружено ими в древнем алмазе. Рингвудит и вадслеит — это два минерала, в которые преобразуется основной минерал мантии оливин. Это происходит на глубинах 410–660 км, в так называемой переходной зоне мантии, под действием высокого давления. Особенностью этих двух минералов является их способность концентрировать в себе намного больше молекул воды, чем исходный оливин.
Если оливин содержит в себе воду в количестве 100 г на тонну, то рингвудит и вадслеит способны собрать ее в несколько сотен раз больше.
«Однако о возрасте воды по этому алмазу ничего сказать было нельзя, — рассказал «Газете.Ru» ведущий автор новой работы член-корреспондент РАН Александр Соболев, заведующий лабораторией магматических и метаморфических пород ГЕОХИ. — Ей могло быть и 100 млн лет, как кимберлиту, который вынес этот алмаз из глубины, и несколько миллиардов лет, как некоторым африканским алмазам. Мы решили прояснить этот вопрос и начали исследовать очень редкий тип магматических пород — коматииты, которые формировались путем почти полного плавления глубинного мантийного вещества только в архее, более 2 млрд лет тому назад. Эти расплавы образовались в горячих мантийных струях, проходивших от земного ядра через переходную зону. В архейское время Земля была значительно горячее, чем сейчас, и древние мантийные струи могли быть уже частично расплавлены в переходной зоне. Поскольку вода легко растворяется в расплаве, мантийные струи, а затем и коматииты должны были подхватить ее из переходной зоны, если, конечно, она там уже была.
Мы исследовали лавовые потоки коматиитов возрастом 2,7 млрд лет, взятые из разных мест Канады. Изучать содержание воды в породе было бессмысленно, время давно превратило ее в труху, неузнаваемым образом изменило ее состав, поэтому анализ таких останков ничего бы не дал. Поэтому мы стали искать включения расплава коматиита, закапсулированные в оливине. Когда эти лавы изливались на поверхность, то оливин, кристаллизуясь, захватывал микропорции расплава и полностью изолировал их от внешней среды. И эти микропорции сохранили свой первоначальный состав, в том числе и содержащиеся в нем летучие элементы. Именно в этих расплавах мы вышли на первичное содержание воды в них, и оно оказалось высоким.
Работа группы Соболева финансировалась РНФ: исследователи получили трехлетний грант «Происхождение ультрамафических магм: коматииты, бониниты, меймечиты», в рамках которого им выделялось по 5 млн руб. ежегодно.
Впрочем, как часто бывает в науке, полученный ответ породил новые вопросы. Главный из них касался того, откуда на таких внушительных глубинах могло взяться столько воды. До сих пор считалось, что вода попала на такие глубины в ходе субдукции тектонических плит, когда в ходе своего постоянного дрейфа одна плита при встрече с другой начинает под нее погружаться — сначала под углом, а потом практически вертикально. Уходя вниз, плиты уносят с собой часть воды, которая на поверхности участвовала в их изменении. Вместе с плитами образовавшиеся в них водные минералы трансформировались и уходили в глубокую мантию, и там вода скапливалась в течение миллиардов лет, входя в состав твердых минералов. Сегодня эта красивая теория поставлена учеными ГЕОХИ под сомнение: воды в переходной зоне, по их расчетам, накопилось слишком много уже 2,7 млрд лет назад. И если, как сегодня считается, тектоника плит, а значит, и субдукция существуют на Земле около 3 млрд лет, трех сотен миллионов лет явно недостаточно для накопления такого количества.
Кроме того, в рамках гранта ученым удалось исследовать обнаруженные в Южной Африке коматииты, которые старше канадских — их возраст превышает 3,3 млрд лет.
«Мы сейчас заканчиваем анализ африканских образцов, — рассказывает Соболев, — и я надеюсь, что их исследование, результаты которого мы планируем опубликовать уже в этом году, позволит ответить на вопрос, каким все-таки образом на таких глубинах скопилось так много воды».
