Наша планета 4,6 миллиарда лет назад была совершенно не похожа на спокойный водный мир, каким мы её знаем сегодня. Мощные столкновения с космическими телами постоянно поддерживали поверхность и недра Земли в бурлящем, расплавленном состоянии. Большая часть планеты представляла собой глобальный океан магмы, где температура не позволяла воде существовать в жидком виде. Молодая Земля скорее напоминала пылающую печь, чем место, способное поддерживать океаны или жизнь.
Однако сегодня океаны покрывают около 70% поверхности Земли. Вопрос о том, как вода смогла пережить этот переход от расплавленной ранней фазы к большей частью твёрдой планете, долгое время ставил учёных в тупик, стимулируя десятилетия исследований.
Недавнее исследование под руководством профессора Чжисюэ Ду из Института геохимии Гуанчжоу Китайской академии наук (GIGCAS) предлагает новое объяснение. Его команда обнаружила, что большие объёмы воды могли храниться глубоко в мантии Земли по мере её охлаждения и кристаллизации из расплавленной породы.
Результаты работы, опубликованные 11 декабря в журнале Science, меняют представления о способах хранения воды глубоко внутри планеты. Исследователи показали, что бриджманит – самый распространённый минерал в мантии Земли – может функционировать как микроскопический «контейнер для воды». Эта способность, возможно, позволила ранней Земле удерживать значительные объёмы воды под поверхностью по мере затвердевания планеты.
По мнению учёных, этот глубоководный резервуар мог сыграть ключевую роль в превращении Земли из враждебного, раскалённого мира в планету, способную поддерживать жизнь.
Предыдущие эксперименты предполагали, что бриджманит может удерживать лишь небольшое количество воды. Однако те исследования проводились при относительно низких температурах. Чтобы вновь рассмотреть этот вопрос, исследователям пришлось преодолеть два основных препятствия: воспроизвести интенсивное давление и температуры, существующие на глубине более 660 километров под поверхностью Земли, и обнаружить чрезвычайно малые следы воды в образцах минералов, некоторые из которых были тоньше одной десятой ширины человеческого волоса и содержали всего несколько сотен частей на миллион воды.
Для решения этих задач команда создала систему с алмазной наковальней в сочетании с лазерным нагревом и высокотемпературной визуализацией. Эта специально разработанная установка позволила им достигать температур до ~4100 °C. Воспроизведя условия глубокой мантии и точно измерив равновесные температуры, исследователи смогли изучить, как нагрев влияет на способность минералов поглощать воду.
Используя передовые аналитические возможности GIGCAS, учёные применили такие методы, как криогенная трёхмерная электронная дифракция и NanoSIMS. В сотрудничестве с профессором Тао Лонгом из Института геологии Китайской академии геологических наук они также использовали атомно-зондовую томографию (APT).
Совокупность этих методов работала как сверхвысокоразрешающие «химические КТ-сканеры» и «масс-спектрометры» для микроскопического мира. Такой подход позволил команде картировать распределение воды внутри крошечных образцов и подтвердить, что вода структурно растворяется непосредственно в бриджманите.
Эксперименты показали: способность бриджманита удерживать воду, измеряемая его коэффициентом распределения воды, резко увеличивается при более высоких температурах. Во время самой горячей фазы магматического океана Земли вновь образовавшийся бриджманит мог хранить гораздо больше воды, чем ранее предполагали учёные. Это открытие ставит под сомнение давнее предположение о том, что нижняя мантия почти полностью сухая.
Используя полученные результаты, команда смоделировала процесс охлаждения и кристаллизации магматического океана Земли. Их симуляции предполагают, что, поскольку бриджманит так эффективно удерживал воду в условиях экстремальной жары, нижняя мантия стала крупнейшим водным резервуаром внутри твёрдой Земли после охлаждения магматического океана. Модель указывает, что этот резервуар мог быть в 5–100 раз больше, чем ранние оценки, а общее количество воды в нём составляло от 0,08 до 1 объёма современных океанов.
Эта глубоко хранимая вода не просто оставалась в ловушке. Вместо этого она действовала как «смазка» для внутреннего двигателя Земли. Снижая температуру плавления и вязкость мантийных пород, вода способствовала внутренней циркуляции и движению плит, обеспечивая планете долгосрочную геологическую энергию.
На протяжении огромных временных промежутков часть этой воды медленно возвращалась на поверхность посредством вулканической и магматической активности. Этот процесс способствовал формированию ранней атмосферы и океанов Земли. Исследователи предполагают, что эта погребённая «искра воды» могла стать решающим фактором в превращении Земли из расплавленного ада в голубую, благоприятную для жизни планету, которую мы знаем сегодня.
