ИНТЕРЕСНОЕ
Подземные океаны
Одной из сенсаций ХХI века явилось существование подземных океанов.
Всех нас в школе учили, что наша планета состоит из твердого ядра, раскаленной вязкой мантии и остывшей коры. А тут вдруг в научных кругах всё громче звучат разговоры о спрятанной в ее недрах воде. Причем, предположительно объем воды, находящейся в глубинах земли, во много раз превышает емкость всех наружных океанов. То есть, мировой океан, находящийся на поверхности земли — это верхушка айсберга — подземного глобального океана.
Подземные воды или, на языке гидрологов, водоносные горизонты бывают разные. В зависимости от глубины залегания их делят на почвенные, грунтовые, межпластовые... А теперь вот появилось новое понятие: подкорковые океаны.
Под многими пустынями гидрогеологами обнаружены целые моря с пресной водой. В Каракумах подземные воды можно обнаружить на глубине около 30 м, а в Сахаре — на глубине 150-200 м.
Подземные пресные моря — лишь тоненькая прослойка на поверхности гигантского океана, который пропитывает недра Земли и в существовании которого мы уже не сомневаемся. В последнее время подземную воду начали обнаруживать повсеместно — не только под пустынями, но и под целыми континентами и даже под океанами.
Уже достоверно известно, что под дном океанов, образованным осадочными породами и гранитным слоем земной коры, находится другой океан — подкорковый, километров 5 глубиной. Скорее всего, он обладает собственной фауной, сохранившей древнюю экосистему Земли. Это различные микроорганизмы, способные обитать в экстремальных условиях — под давлением в несколько тысяч атмосфер и при высоких температурах.
О том, что под Мировым океаном есть вода, причем в огромных количествах, наглядно свидетельствуют многочисленные гидротермальные источники, бьющие вдоль Срединно-океанических хребтов. Их называют «черными курильщиками» или природной теплоцентралью. Картина, прямо надо сказать, устрашающая. Вода, разогретая до 400 градусов по Цельсию и перенасыщенная минералами (в основном железистых и марганцевых соединений), в месте выхода подводного гейзера образует конусообразные наплывы и наросты, похожие на заводские трубы, высотой с небоскреб. Из них, как дым, в океан клубами валит горячая черная взвесь. (При высоком давлении на больших глубинах кипения не происходит.) Поднимаясь на высоту до 150 метров, она смешивается с холодными придонными слоями океана и, подогревая их, сама охлаждается.
Термальные источники также прорываются на поверхность суши. В одном только Йеллоустонском парке около 200 постоянно действующих гейзеров, а на Камчатке, в Долине гейзеров — их около 40. Получается, что вода не проваливается из наземных океанов на стыках тектонических плит под кору, а уже находится в глубинах планеты. Но до 1990 года ученый мир этого не признавал.
Если наземный Мировой океан черпает тепло от Солнца, то подземный должен обогреваться горячим чревом самой Земли, обладая собственным микроклиматом. У подземных морей и океанов должны быть своды. И берега. И просто пустоты, не заполненные водой. Иными словами — это таинственный неведомый мир, полный загадок.
Человечество еще только пытается разобраться с тем, что у него под ногами. По сей день остаются непревзойденными достижения советских ученых, просверливших в 1970 году знаменитую Кольскую сверхглубокую скважину — на 12 с лишним км вглубь Земли. Всего 12 километров — это так мало. Однако есть и другие методы «земной диагностики», не настолько визуально-материальные, как скважина, но достаточно убедительные. Это прослушивание планетного нутра с помощью сейсмографов. По тому, как проходят сейсмические волны сквозь тело Земли, можно составить картину распределения плотности его недр. Плотность же зависит от химического состава и температуры вещества. Попадая в зоны с большим содержанием воды, сейсмические волны глохнут и замедляются.
Комплексный анализ результатов такого зондирования позволил ученым прийти к заключению, что в верхней мантии Земли под восточной частью Евразийского континента (Сибирью), на глубине около 1000 км, находится огромный резервуар воды — этакий «внутриутробный» океан (по объему не меньше, чем Северный Ледовитый). Было также обнаружено, что скорость сейсмических волн резко падает в литосферном щите и под Центральной Европой. Такой эффект может дать только наличие большого количества воды. Аналогичная ситуация наблюдается и под Северной Америкой.
В общем, вода под земной корой присутствует повсеместно и ее там гораздо больше, чем на поверхности.
Как вода попала внутрь Земли, точно неизвестно. По одной гипотезе, слилась с поверхности, на которой прежде воды было гораздо больше, чем сейчас. Может быть, раньше вся планета представляла собой один большой океан. Как Европа — спутник Юпитера. По этой гипотезе наличием воды Земля обязана метеоритам.
Однако, более вероятная версия гласит, что вода образовалась вместе с планетой. То есть, всегда там была. И синтезируется в недрах из кислорода и водорода. Согласно гипотезе расширяющейся Земли, земной шар прежде был значительно меньших размеров, океанов на поверхности не было вовсе (вся вода была под землей), не было и материков, а была только одна сплошная суша — суперконтинент. Со времен мезозоя диаметр Земли увеличился вдвое, а ее поверхность — в четыре раза. Тенденция эта сохраняется и сегодня: Земля в буквальном смысле раздувается как резиновый шар, разъезжаясь по швам — Срединно-океаническим. Где-то 300 млн лет назад под воздействием подземного давления поверхность Земли лопнула, образовав трещины, через которые внутренние воды хлынули наружу. Так образовались континенты и Мировой океан.
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 () 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 , 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.
«Алмазный» рингвудит, как выяснили канадцы, содержал в себе 1,4% воды. И это было явным свидетельством того, что в переходной зоне мантии находится огромный резервуар воды, равный нескольким объемам Мирового океана и собранный этими минералами словно губками.
«Однако о возрасте воды по этому алмазу ничего сказать было нельзя, — рассказал «Газете.Ru» ведущий автор новой работы член-корреспондент РАН , 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.
Мы, таким образом, доказали, что огромный резервуар воды, вероятно не менее объема современного океана, уже существовал на глубинах 410-660 км по крайней мере 2,7 млрд лет тому назад».
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.
«Возможно, основная вода скопилась там в самом начале, в ходе формирования планеты, но это не утверждение, а лишь вопрос, еще ждущий своего ответа», — говорит Александр Соболев.
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».
Москва. 22 ноября. сайт - Огромные массы воды, содержащиеся в минералах, хранятся в толще Земли на глубине от 400 до 600 км, к такому выводу пришли ученые канадского Альбертского университета, пишет The International Business Times.
Ранее ученые полагали, что вода, заключенная в минерале гидроксид магния (брусит), не может находиться в верхней мезосфере (верхней мантии) из-за высокого давления, разрушающего минерал. Проводившиеся ранее эксперименты показали, что жидкость, выделяемая из брусита под высоким давлением, выходила затем на поверхность Земли в процессе вулканической активности.
Однако сейчас ученые смогли найти тип брусита, устойчивый к воздействию высокого давления. В исследовании, опубликованном в журнале PNAS, говорится, что авторы исследования Манак Мухерджи и Андреас Херманн провели свыше тысячи экспериментов, прежде чем нашли устойчивый к давлению тип брусита.
"Это открывает "ящик Пандоры", - говорит Мухерджи. - Мы не думали, что вода там может храниться в водосодержащих минералах, таких как брусит. Но теперь, когда мы знаем, все, что нам остается - это выяснить, сколько воды можно эффективно сохранить в нем."
Теперь известно, что вода имеется, но количество ее остается неясным. Ранее ученые из Альбертского университета предположили, что масса заключенной в недрах планеты воды может составлять до 1,5% веса Земли, что эквивалентно массе всей воды на ее поверхности.
Понимание того, сколько же воды, на самом деле, под мантией планеты, исключительно важно для понимания геологических процессов, вулканической деятельности и землетрясений. Определение количества помогло бы геологам в изучении процессов формирования планеты, ее текущего состояния.
"Эта статья - часть головоломки, она еще не вся картина. Прямо сейчас мы неспособны подсчитать, мы серьезно продвинулись за эти годы исследования, но вопрос еще открыт", - поделились авторы открытия.
По их словам, понимание сущности воды под Землей крайне важно и для понимания водных ресурсов на ее поверхности: если исчезнет вода внутри планеты по какой-нибудь причине, то в силу геодинамических процессов это проявится и снаружи.
"Это повлияет на тектонику плит и как только литосфера замрет, у нас не будет больше вулканов. Вулканы же имеют важное значение в формировании почвы, это отразится на всех звеньях цепи. Это то, что, по мнению многих ученых, случилось с планетами, подобными Земле. Таким образом, вода в недрах Земли имеет решающее значение для поддержания геодинамической активности, которая управляет всем", - заключил Мухерджи.
По мнению ученых, тем не менее, высыхание внутренних резервуаров воды планете пока не грозит.
Ученые обнаружили огромные запасы воды в недрах нашей планеты на глубине порядка 500-650 км. По приблизительным оценкам объемы этого скрытого подземного резервуара в три раза превышают объемы мирового океана.
Однако радоваться такой перспективе преждевременно, так как человечество никак не сможет воспользоваться этими запасами в обозримом будущем. Во-первых, глубина залегания данного слоя мантии слишком высока, даже самые оптимистичные 500 км - это в 40 раз больше, чем когда-либо удалось пробурить человеку (12 262 метра, Кольская сверхглубокая скважина). А во-вторых, вода там находиться в довольно необычном состоянии, будучи заключенной внутри минерала рингвудита , существование которого долгое время оставалось под вопросом.
Предсказанный минерал
Рингвудит - полупрозрачный минерал серо-голубого цвета из группы оливиновых. Формируется в условиях с экстремальными температурой и давлением из минералов вадслеита и форстерита. Залегает в слое нижней мантии на глубине в 520 - 660 км, то есть где-то между ядром и земной корой.
Фрагменты минерала, который был синтезирован в лаборатории
Природного рингвудита еще никто никогда не видел по понятным причинам, однако команде геофизика Стивена Джейкобсена из Северо-Западного университета удалось синтезировать этот минерал в лабораторных условиях. Ряд исследований показал, что рингвудит действительно может содержать воду и даже абсорбировать ее подобно губке. Форма хранения воды в данном материале кардинально отличается от жидкой и других агрегатных фаз, вместо этого она захватывается в так называемую молекулярную ловушку особой кристаллической структурой с кубической сингонией и переходит в форму гидроксид-ионов (соединения гидроксильных групп).
Подземный океан
Предположения о том, что в переходном слое мантии может содержаться большое количество воды в составе природных минералов высказывались еще давно, в частности данная гипотеза неоднократно использовалась в теориях, пытающихся объяснить земное происхождение воды. Подтверждение же было получено совсем недавно командой доктора Джейкобсена.
В результате очень продолжительного эксперимента ученые анализировали данные, получаемые с 2000 сейсмографов, которые были равномерно разбросаны по всей территории США. Анализ движения сейсмических волн, порожденных землетрясениями разной интенсивности, позволил выявить неравномерность их скорости: на участке мантии с 520 до 660 км скорость прохождения волны существенно снижалась, а затем возвращалась до прежних значений. Это означало, что переходный слой мантии состоял из пород насыщенных водой, которые и заставляли замедляться сейсмо-волны.
Предварительные данные свидетельствуют, что запасы воды в подземном океане из рингвудита троекратно превышают объем мирового океана. Еще более примечателен тот факт, что обследованы недра Земли были только под территорией Соединенных Штатов, а исключать вероятность существования подобных резервуаров в других участках планеты никак нельзя. Словом, необходимы новые долгосрочные исследования.
Вода возникла на Земле?
Открытие огромного подземного океана дало вторую жизнь теориям и гипотезам о внутреннем, т.е. земном происхождении воды. Согласно им океаны постепенно наполнялись водой из недр планеты, которая могла подниматься на сушу, например, вместе с лавой при извержении вулканов. Так ли было на самом деле, пока неизвестно, но в свете новых событий выглядит вполне правдоподобно.
В недрах Земли содержится огромное количество воды, в несколько раз превышающее объем Мирового океана. Как она туда попала, непонятно, а о ее роли в формировании и современной внутренней динамике планеты можно только строить догадки. Хотя в 2016 году ученые уже уверены в существовании, по крайней мере в прошлом, подповерхностного океана на Плутоне, об обилии воды в мантии Земли достоверно узнали только в 2014 году. Подробнее о неожиданных открытиях, совершенных в том числе с участием российских геофизиков, рассказывает «Лента.ру».
О внутреннем строении Земли ученые знают не так много, как может показаться. Прямые исследования недр планеты исключительно затруднены. Распределение плотности внутри Земли можно оценить, например, наблюдая распространение сейсмических волн - на глубине в несколько десятков километров, на так называемой границе Мохоровичича , их скорость резко увеличивается с 7 до 8 километров в секунду. Это означает, что возмущение вещества перешло из менее плотной среды в более плотную - из коры в верхнюю мантию. В мантии волны тоже распространяются с разной скоростью - на глубине порядка 600 километров происходит замедление, возмущение переходит в зону нижней мантии и затем, на глубине около 2,9 тысячи километров достигает ядра.
Кроме того, помогает изучение минералов, которые когда-то находились в недрах планеты. Именно так и обнаружили подземную воду. В 2014 году международный коллектив геофизиков сообщил в журнале Nature, что в переходном слое между верхней и нижней мантией, на глубине 410-660 километров, имеются обширные запасы воды. Ученые провели рентгеноструктурный, рамановский и инфракрасный анализ образцов оливина , найденных близ реки Сан-Луис в современной Бразилии, и выявили в минерале содержащие воду включения рингвудита .
Вода могла попасть туда только из переходной зоны мантии - на такую возможность ранее указывали теоретические расчеты и эксперименты. Согласно этим данным, оливин при высоких температурах и давлениях, характерных для мантии на глубине 410-660 километров, преобразуется в рингвудит и еще один минерал, вадслеит . Рингвудит и вадслеит поглощают на порядки больше воды, чем оливин - примерно до 2,5 процента их общей массы. В исследованном учеными образце содержалось до 1,5 процента рингвудита. Геофизики сделали вывод, что по крайней мере локально, то есть там, где из оливина возник рингвудит, мантия примерно на один процент по массе состоит из воды. Простые оценки показывают, что в недрах Земли воды хватит как минимум на несколько Мировых океанов.
Это подтвердила другая группа ученых, куда входили и российские специалисты. В 2015 году в журнале Nature они опубликовали статью с результатами исследования рингвудита, найденного в зеленокаменном поясе Абитиби на Канадском щите Северо-Американской платформы. Этот пояс представляет собой один из самых распространенных комплексов пород среднего и позднего архея. В глубину такие комплексы могут достигать 20 километров, в ширину - 200 километров, в длину - тысячу километров. В Канадском щите их шесть. Зеленокаменные пояса формировались на Земле 2,5-3,5 миллиарда лет назад - это указывает на возраст исследованного рингвудита и подземного океана, заключенного в минералы.
Изучая включения в оливине, геофизики выявили повышенное содержание воды в первичных расплавах коматиитов - продуктов вулканических извержений возрастом 2,7 миллиарда лет из пояса Абитиби. Коматииты, скорее всего, образовались в глубинной мантийной струе с потенциальной температурой плюс 1725 градусов Цельсия. Вода в мантийном источнике коматиитов была захвачена из промежуточной мантийной зоны на глубине 620-410 километров. При выполнении этой научной работы российские ученые из Института геохимии и аналитической химии имени Владимира Вернадского Российской академии наук разработали уникальный метод электронно-зондового микроанализа оливина с точностью определения примесных элементов в пять грамм на тонну, первыми в России запустив высокотемпературную (до плюс 1700 градусов Цельсия) экспериментальную установку с контролируемой летучестью кислорода.
Выводы ученых подтвердились. Британские и американские геофизики, проведя множество компьютерных квантово-механических расчетов, показали , что множество гидратированных, то есть включающих в себя воду, минералов, в частности брусит , при высоких давлениях и температурах, таких, как в недрах Земли на глубине 400-600 километров, являются термодинамически устойчивыми. Об этом сообщается в статье, опубликованной в 2016 году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Другой международный коллектив геофизиков проанализировал алмаз, выброшенный примерно 90 миллионов лет назад при извержении вулкана на поверхность Земли близ бразильской реки Сан-Луис. Инфракрасная микроскопия выявила в минерале включения, возникшие при его формировании и связанные с наличием гидроксильных ионов, которые, скорее всего, попали в минерал вместе с водой. Оказалось, что эти включения состоят главным образом из феррипериклаза (магнезиовюстита) - на него приходится примерно пятая часть минеральной фазы нижней, то есть расположенной на глубине 660-2900 километров мантии Земли. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Lithos.
Феррипериклаз состоит из оксидов железа и магния, а также может, при сверхвысоких давлениях и температурах, характерных для нижней мантии, поглощать хром, алюминий и титан. Между тем эти дополнительные включения в минерале не были обнаружены, значит, алмаз возник на глубине около тысячи километров. Таким образом, заключенная в минералы подземная вода находится не только на глубине 600-400 километров, но и в более глубоких слоях мантии.
Вода способна влиять на электропроводность мантии и ее подвижность. Ученые пока не могут точно сказать, почему ее так много в недрах Земли и как она туда попала. Ранее геофизики полагали, что вода внутрь планеты проникает из Мирового океана в результате субдукции - погружения одной литосферной плиты под другую. Аномально высокую концентрацию воды в исследованных минералах таким механизмом не объяснить. Вероятнее всего, подземная вода образовалась при формировании планеты. Прояснить ситуацию ученые попробуют, проанализировав коллекцию коматиитов, собранных в африканской провинции Барбертон. Возраст этих затвердевших древних лав оценивается в 3,3 миллиарда лет.
