Новое свидетельство наличия «океанов» воды глубоко под землей: вода, связанная с каменными породами мантии, меняет представление о составе Земли

Присутствие жидкой воды на поверхности — это то, что делает нашу «голубую планету» пригодной для жизни, и ученые давно пытались выяснить, сколько воды может циркулировать между поверхностью Земли и внутренними резервуарами посредством тектоники плит.Северо-западный геофизик Стив Якобсен и сейсмолог из Университета Нью-Мексико Брэндон Шмандт обнаружили глубокие очаги магмы, расположенные примерно в 400 милях под Северной Америкой, что является вероятным признаком присутствия воды на этих глубинах.

Открытие предполагает, что вода с поверхности Земли может быть перемещена на такие большие глубины за счет тектоники плит, что в конечном итоге приведет к частичному плавлению горных пород, обнаруженных глубоко в мантии.Результаты, которые будут опубликованы 13 июня в журнале Science, помогут ученым понять, как сформировалась Земля, каков ее текущий состав и внутреннее устройство, а также сколько воды удерживается в мантии.

«Геологические процессы на поверхности Земли, такие как землетрясения или извержения вулканов, являются выражением того, что происходит внутри Земли вне нашего поля зрения», — сказал Якобсен, соавтор статьи. «Я думаю, что мы наконец видим доказательства круговорота воды на всей Земле, который может помочь объяснить огромное количество жидкой воды на поверхности нашей обитаемой планеты. Ученые десятилетиями искали эту пропавшую глубину».Ученые давно предполагают, что вода задерживается в скалистом слое мантии Земли, расположенном между нижней и верхней мантией, на глубине от 250 до 410 миль.

Якобсен и Шмандт первыми предоставили прямые доказательства того, что в этой области мантии, известной как «переходная зона», в региональном масштабе может быть вода. Этот регион простирается на большей части территории Соединенных Штатов.Шмандт, доцент геофизики Университета Нью-Мексико, использует сейсмические волны от землетрясений для исследования структуры глубинной коры и мантии. Якобсен, доцент кафедры наук о Земле и планетах Северо-Западного колледжа искусств и наук Вайнберга, использует наблюдения в лаборатории, чтобы делать прогнозы о геофизических процессах, происходящих далеко за пределами нашего прямого наблюдения.

Исследование объединило лабораторные эксперименты Якобсена, в которых он изучает мантийные породы при моделируемых высоких давлениях на 400 миль ниже поверхности Земли, с наблюдениями Шмандта с использованием огромного количества сейсмических данных из USArray, густой сети из более чем 2000 сейсмометров по всей территории Соединенных Штатов.Выводы Якобсена и Шмандта сошлись, чтобы предоставить доказательства того, что таяние может происходить на глубине около 400 миль в Земле. По словам исследователей, H2O, хранящаяся в мантийных породах, таких как те, которые содержат минерал рингвудит, вероятно, является ключом к процессу.«Плавление горных пород на этой глубине примечательно, потому что большая часть плавления в мантии происходит гораздо мельче, в верхних 50 милях», — сказал Шмандт, соавтор статьи. «Если в переходной зоне имеется значительное количество H2O, то некоторое плавление должно иметь место в областях, где есть потоки в нижнюю мантию, и это согласуется с тем, что мы обнаружили».

По словам исследователей, если всего один процент веса мантийной породы, расположенной в переходной зоне, составляет H2O, это будет эквивалентно почти в три раза большему количеству воды в наших океанах.Эта вода не в привычной нам форме — это не жидкость, не лед или пар.

Эта четвертая форма — это вода, заключенная в молекулярной структуре минералов мантийной породы. Вес 250 миль твердой породы создает такое высокое давление, наряду с температурами выше 2000 градусов по Фаренгейту, что молекула воды расщепляется с образованием гидроксильного радикала (ОН), который может быть связан с кристаллической структурой минерала.Выводы Шмандта и Якобсена основаны на открытии, опубликованном в марте в журнале Nature, в котором ученые обнаружили кусок минерала рингвудита внутри алмаза, поднятого с глубины 400 миль вулканом в Бразилии. Этот крошечный кусочек рингвудита — единственный существующий образец изнутри Земли — содержал удивительное количество воды, связанной в твердой форме в минерале.

«Однако неизвестно, является ли этот уникальный образец репрезентативным для внутреннего строения Земли», — сказал Якобсен. «Теперь мы нашли доказательства обширного плавления под Северной Америкой на тех же глубинах, которые соответствуют дегидратации рингвудита, что и происходило в моих экспериментах».В течение многих лет Якобсен синтезировал рингвудит, окрашенный в синий цвет, похожий на сапфир, в своей лаборатории на северо-западе США путем взаимодействия зеленого минерального оливина с водой в условиях высокого давления. (Верхняя мантия Земли богата оливином.) Он обнаружил, что более одного процента веса кристаллической структуры рингвудита может состоять из воды — примерно такое же количество воды, которое было обнаружено в образце, опубликованном в статье Nature.

«Рингвудит подобен губке, впитывающей воду, — сказал Якобсен. «В кристаллической структуре рингвудита есть что-то особенное, что позволяет ему притягивать водород и удерживать воду. Этот минерал может содержать много воды в условиях глубокой мантии».В исследовании, опубликованном в Science, Якобсен подверг свой синтезированный рингвудит условиям на глубине около 400 миль ниже поверхности Земли и обнаружил, что он образует небольшие количества частичного плавления, когда его подталкивают к этим условиям. Он обнаружил расплав в экспериментах, проведенных в Усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории и в Национальном синхротронном источнике света Брукхейвенской национальной лаборатории.

Якобсен использует мелкие драгоценные алмазы в качестве твердых наковальней для сжатия минералов до состояния глубин Земли. «Поскольку алмазные окна прозрачны, мы можем заглянуть в устройство высокого давления и наблюдать за реакциями, происходящими в условиях глубокой мантии», — сказал он. «Мы использовали интенсивные пучки рентгеновских лучей, электронов и инфракрасного света для изучения химических реакций, происходящих в алмазной ячейке».Открытия Якобсена дали те же доказательства частичного расплавления или магмы, которые Шмандт обнаружил под Северной Америкой с помощью сейсмических волн. Поскольку глубокая мантия недоступна для прямого наблюдения ученых, они используют сейсмические волны — звуковые волны с разной скоростью — для изображения недр Земли.

«Сейсмические данные из USArray дают нам более ясную, чем когда-либо прежде, картину внутренней структуры Земли под Северной Америкой», — сказал Шмандт. «Таяние, которое мы видим, похоже, вызвано субдукцией — опусканием мантийного материала с поверхности».Обнаруженное исследователями плавление называется дегидратационным плавлением.

Скалы в переходной зоне могут содержать много H2O, но породы в верхней части нижней мантии не могут удерживать почти ничего. Вода, содержащаяся в рингвудите в переходной зоне, вытесняется, когда он проникает глубже (в нижнюю мантию), и образует минерал с более высоким давлением, называемый силикатным перовскитом, который не может поглощать воду.

Это вызывает частичное плавление породы на границе переходной зоны и нижней мантии.«Когда порода с большим количеством H2O перемещается из переходной зоны в нижнюю мантию, ей нужно каким-то образом избавиться от H2O, чтобы она немного таяла», — сказал Шмандт. «Это называется дегидратационным таянием».«Как только вода будет выпущена, большая ее часть может попасть в переходную зону», — добавил Якобсен.

По словам Шмандта, с помощью нового набора сейсмометров, нацеленных на эту область мантии, можно обнаружить лишь небольшую часть расплава, около одного процента, потому что расплав замедляет скорость сейсмических волн.USArray является частью EarthScope, программы Национального научного фонда, которая использует тысячи сейсмических, GPS и других геофизических инструментов для изучения структуры и эволюции североамериканского континента, а также процессов, вызывающих землетрясения и извержения вулканов.

Национальный научный фонд (гранты EAR-0748797 и EAR-1215720) и Фонд Дэвида и Люсиль Паккард поддержали исследование.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *