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 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 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, 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 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.

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.

На глубине 400-600 километров находятся три Мировых океана. Правда, вода здесь не плещется, а хранится в своеобразных "капсулах" из минералов. Статья об этом сенсационном открытии опубликована в одном из самых престижных научных журналов Nature. Причем среди восьми авторов пятеро россиян, остальные из Франции и Германии. Возглавляет коллектив член-корреспондент РАН Александр Соболев из Института геохимии и аналитической химии им. Вернадского РАН. Это открытие может заставить ученых в корне пересмотреть теории о формировании Земли.

О существовании этой необычной воды ученые подозревали давно, а пару лет назад природа сделала им поистине царский подарок, - рассказывает Александр Соболев. - В Бразилии был найден алмаз, которому 100 миллионов лет. Он вынесен на поверхность с огромной глубины, около 400-600 километров. В алмазе ученые обнаружили редчайшее включение - минерал рингвудит. Но дальнейший анализ вообще поразил специалистов: в минерале оказалось 1,4 процента воды. Если это пересчитать на весь находящийся под землей минерал, получается, что в недрах скопились гигантские запасы воды. Ее, как губка, впитал рингвудит.

Как всегда бывает в науке, это открытие поставило множество новых вопросов. И самый главный: как на такую огромную глубину вообще могли попасть океаны воды? Сразу была выдвинута очевидная гипотеза: "пришла" с поверхности земли. Литосферные плиты дрейфуют в океане, сталкиваются и уходят в мантию, увлекая с собой часть воды (зона субдукции). В течение сотен миллионов, а возможно миллиардов лет она там скапливалась, входя в состав твердых минералов.

И вот эта красивая версия поставлена российскими учеными под сомнение. Но для этого им пришлось сделать новое открытие: определить возраст древней воды. Он мог быть, как у найденного алмаза, 100 миллионов лет, а мог и несколько миллиардов.

Из разных известных на сегодня возрастных меток, которые Земля выбросила с больших глубин на поверхность, мы выбрали очень редкую породу - коматиит, - говорит Соболев. - Почему его? Наука точно знает, что он мог образоваться, когда Земля была очень горячей, а это наблюдалось не позднее 2 миллиардов лет назад. Затем температура планеты снизилась, и коматииты уже не образовались.

Ученым удалось в Канаде отыскать эту редчайшую "метку" времени, она вместе с водой была "запечатана" в мельчайших, размером с человеческий волос капсулах породы, выброшенной на поверхность земли с огромных глубин. А чтобы извлечь из нее полезную информацию, потребовался уникальный метод анализа, который был разработан российскими учеными. Вывод: возраст минерала и древней воды около 2,7 миллиарда лет.

По мнению ученых, теперь придется пересмотреть тектоническую версию о том, как океан воды оказался на такой глубине. Почему? Сегодня считается, что движение плит началось около 3 миллиардов лет назад. Но раз найденной воде 2,7 миллиарда лет, получается, что гигантский подземный резервуар заполнен за какие-то 300 миллионов лет. Но это нереально, так как она опускается вниз очень медленно и малыми "дозами". Остается другой вариант: вода появилась в недрах Земли одновременно с ее рождением и формированием планеты. Науке предстоит ответить, насколько верна эта версия.

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.

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.