Ученые под землей обнаружили океан
Как выяснилось, современная наука знает очень мало о строении нашей планеты. Прямые исследования земных недр проводить затруднительно. О том, как распределяется плотность внутри планеты Земля, ученые судят по наблюдениям за распространением сейсмических волн. Скорость этих волн на границе Мохоровичча, на глубине примерно несколько десятков километров увеличивает с 7 до 8 километров в секунду. Это свидетельствует о том, что из менее плотной среды возмущение вещества перешло в более плотную, то есть, в верхнюю мантию из коры. Волны в мантии также распределяются с различной скоростью – на глубине около 600 километров они замедляются, возмущение вещества переходит в нижнюю мантию, после чего, на глубине около 3 тысяч километров, достигает ядра.
Помимо этого, большую роль в изучении строения Земли играет изучение минералов, которые в древности находились в ее недрах. Именно таким образом и была обнаружена подземная вода. Международная группа ученых-геофизиков в 2014 году заявила о том, что на глубине 410-660 километров, в переходном слое, расположенном между нижней и верхней мантией, существуют огромные запасы воды. Учеными были проведены рамановский, рентгеноструктурный и инфракрасный анализы оливина, образцы которого были обнаружены на территории современной Бразилии, в окрестностях реки Сан-Луис. В минералах выявили включения рингвудита, содержащие воду.
Попасть туда вода могла исключительно из переходного слоя мании – именно о такой возможности свидетельствовали ранее теоретические эксперименты и расчеты. Согласно этим расчетам, при высоких давлениях и температурах, которые характерны для мантии планеты на глубине 410-660 километров, оливин превращается в минералы рингвудит и вадслеит. Эти минералы поглощают в несколько раз больше воды, нежели оливин – около 2,5 процентов своей общей массы. В образце, который исследовали ученые, содержалось порядка 1,5 процента рингвудита. На этом основании геофизики предположили, что локально, там, где рингвудит возник из оливина, мантия примерно на 1 процент состоит из воды. Таким образом, даже по приблизительным оценкам, воды, имеющейся в земных недрах, хватит на несколько Мировых океанов.
Данная гипотеза была подтверждена и другой группой ученых. В 2015 году в специализированном издании появилась статья, в которой были опубликованы результаты анализа рингвудита, найденного на Северо-Американской платформе в Абитиби (зеленокаменный пояс на Канадском щите). Этот пояс является одним из наиболее распространенных комплексов пород среднего и позднего архейского периода. Подобные комплексы могут достигать в глубину до 20 километров, в длину – тысячу километров, в ширину – около 200 километров. Таких поясов шесть на Канадском щите. Отметим, что зеленокаменные пояса формировались на планете примерно 2,5 – 3,5 миллиардов лет назад – это говорит о том, что примерно таков же и возраст и исследованного минерала и подземного океана, который заключен в минералы.
Проводя исследования включений в оливине, геофизиками было выявлено, что в первичных расплавах коматиитов содержание воды повышено. Коматииты – это продукты вулканических извержений из пояса Абитиби, возраст которых достигает 2,7 миллиардов лет. Вероятно, они образовались в глубинном слое мантии при температуре около 1725 градусов, а воду захватили из промежуточного мантийного слоя на глубине около 420-660 километров.
В ходе выполнения данного исследования российскими учеными из Института геохимии и аналитической химии им. В.Вернадского был разработан метод электронного зондового микроанализа минерала оливина. С его помощью удалось определить примесные элементы с точностью пять граммов на тонну. Суть метода заключается в запуске высокотемпературной экспериментальной установки с летучестью кислорода, которая постоянно контролируется.
Гипотеза ученых нашла свое подтверждение. Американские и британские геофизики, после проведения большого числа квантовых механических расчетов, доказали, что большинство минералов, содержащих воду, в земных недрах на глубине порядка 400-600 километров, при высоких температурах и давлениях термодинамически устойчивы.
Другой международной группой геофизиков был проведен анализ алмаза, который был выброшен на поверхность в ходе извержения вулкана в окрестностях бразильской реки Сан-Луис около 90 миллионов лет назад. При помощи инфракрасной микроскопии было установлено, что в минерале присутствуют включения, которые возникли еще в период формирования минерала и которые связаны с гидроксильными ионами, попавшими в него с водой. Было установлено, что включения эти в основном состоят из феррипериклаза – он составляет пятую часть минеральной фазы нижней земной мантии, расположенной на глубине 660-2900 километров.
В состав феррипериклаза входят оксиды магния и железа. Кроме того, при наличии сверхвысокого давления и температур, которые характерны для нижней мантии, этот минерал может поглощать алюминий, хром и титан. Вместе с тем ,никакие дополнительные включения в минерале обнаружить не удалось. Это позволило ученым предположить, что алмаз сформировался на глубине примерно тысячи километров. Из этого, в свою очередь, можно сделать еще одно предположение – вода в недрах планеты находится не только на глубине 400-600 километров, но и в более глубоких мантийных слоях.
Ученые говорят о том, что вода может оказывать влияние на подвижность мантии и ее электропроводность. В настоящее время специалисты пока не в состоянии сказать, почему воды в земной мантии так много и каким образом она туда попала. Некоторые геофизики ранее предполагали, что под поверхность Земли вода попадает из Мирового океана вследствие погружения литосферных плит. Но таким образом невозможно объяснить аномально высокую концентрацию воды в обнаруженных минералах. Вполне возможно, что подземные воды образовались еще в период формирования планеты. Ученые попытаются найти ответы на существующие вопросы, проведя исследования коллекции коматиитов, которые были собраны в провинции Барбертон (Африка). Возраст этих минералов ученые оценивают в 3,3 миллиарда лет.
