Подземный океан архейского периода

Правда ли под мантией Земли находится огромный океан

Москва, 15.06.2021, 12:22:35, редакция ПРОНЕДРА.РУ, автор Татьяна Орлонская.

Наша Земля полна загадок и неизвестных явлений. Ученые всячески изучают голубую планету, чтобы максимально узнать историю Земли и разгадать все ее загадки. Так, совершенно недавно специалисты нашли огромный океан под мантией Земли. Правда ли это, и каким способом было сделано открытие, читайте далее.

Огромный океан под Землей существует, доказали российские ученые

Многие из нас ходят по земле и даже не догадываются, что где-то глубоко под поверхностью суши прячется огромный океан. Да не такой, как мы его знаем по школьному предмету биология, с огромным количеством воды и множеством обитателей глубин. А окаменелый, без воды, без рыб и водорослей.

Историей образования такого подземного резервуара занялись наши ученые. Российские научные специалисты провели исследование и выяснили, что на глубине нескольких сотен километров под землей находится океан, возраст которого составляет более 2,7 млрд лет. Он весьма необычен. В нем нельзя плавать, по нему никогда не смогли бы ходить суда. Подземный океан вообще не пригоден для жизни, потому как со времен его зарождения вода находилась в окаменелом состоянии. В этом природном резервуаре «вода» находится в кристаллической структуре минералов, образовавшихся более 2 млрд лет назад.

Разработкой теории о возрасте окаменелого океана занимались наши соотечественники из Института геохимии и аналитической химии им. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) с заинтересованными коллегами из Франции и Германии. Статья об их исследовании, выполненном при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), была опубликована в последнем номере журнала Nature в марте 2016 года.

Отечественные геохимики выяснили, откуда взялся океан под мантией Земли

Международная научная группа под руководством российских специалистов в области моделирования природных процессов, анализа химического состава и определения возраста природных объектов установила, что огромные запасы воды, находящиеся в мантии Земли и превосходящие массу всего Мирового океана, образовывались более 3,3 млрд лет назад за счёт погружения в недра планеты океанической коры, обогащенной морской водой. Такие выводы опубликованы в журнале Nature.

Чтобы исследовать мантию голубой планеты и её состав, геохимики использовали образцы вулканических пород, которые состоят из затвердевшей мантийной магмы. С 2016 года ученые не топтались на месте и выяснили еще ряд интересных фактов о каменном океане. Здесь ученым помогли образцы коматиитов из зеленокаменного пояса, которые были взяты в ЮАР. Возраст этих образцов составлял 3,3 миллиарда лет. Специалисты анализа химического состава и определения возраста природных объектов выяснили, что найденный ранее глубинный водосодержащий резервуар находился в мантии Земли уже в палеоархее, на 600 миллионов лет раньше, чем они установили в предыдущем исследовании. Об этом открытии сообщалось в 2019 года.

Источник

Под поверхностью Земли обнаружен древний гигантский океан

Под поверхностью Земли на глубине 410–660 км расположен океан архейского периода. Его возраст оценивается в 2,7 млрд лет, а объем, предположительно, превышает размеры Мирового океана в несколько раз. Такие данные были получены в ходе исследования российскими, французскими и немецкими геохимиками.

Александр Соболев, Евгений Асафов, Валентина Батанова, Максим Портнягин и Степан Крашенинников из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, а также их коллеги из ряда немецких и французских институтов изучили состав найденных на территории Канады образцов оливина — минерала, образующего магматические породы. Исследователи обнаружили в оливине расплавы коматиита архейского периода, самого раннего периода истории земной коры, охватывающего время от 4 до 2,5 млрд лет назад.

Измерив объемы воды и других веществ в коматиитах, геохимики на основании установленного содержания в образцах воды и церия сделали вывод, что под земной корой в древности в условиях высокого давления и температур (1530 °C) сформировался огромный водоем. Сегодня вода заключена в кристаллическую структуру минералов.

О существовании подземного океана подозревали и раньше, однако в ходе настоящего исследования были получены доказательства, а также оценены размеры природного резервуара. Согласно предположениям геохимиков, подземный водоем возник на начальных этапах развития планеты.

Источник

Ученые обнаружили гигантский подземный океан

Вода там находится в особом состоянии

Новые спутники, которые способны делать рентгеновские снимки земной поверхности, дали возможность ученым анализировать температуру источников воды не только на поверхности земли, но и под ней. И это привело к удивительному открытию.

Оказалось, что глубоко в недрах планеты скрывается огромное количество воды. Фактически гигантский океан. Причем по объему он в три раза превышает все известные нам сегодня океаны вместе взятые!

Казалось бы, пора кричать «Ура!» и радоваться тому, что запасы воды у землян практически неисчерпаемы. Однако есть два больших НО.

Во-первых, добраться до него очень проблематично. Примерная глубина — 600 километров. В самом близком к поверхности месте — около 500 км. Бурить скважины на такую глубину человечество еще не научилось. напомним, что рекордной на сегодня является Кольская сверхглубокая скважина в России, которую довели до 12, 262 км.

А во-вторых, даже если представить, что мы нашли способ добраться до подземного океана, встает другая проблема. Вода там. особая. Не такая, как мы привыкли видеть. Она не разливается привольно по какому-то резервуару, а находится внутри особого минерала — рингвудита.

Рингвудит формируется в земной коре под колоссальным давлением и отличается тем, что прекрасно абсорбирует мельчайшие частицы воды. Прямо как губка. Вот именно в таких залежах рингвудита и упрятан весь подземный океан.

Кстати, в природном состоянии этот минерал никто никогда не видел. Но ученым удалось его получить искусственно в лаборатории. Оказалось, что он имеет серо-голубой цвет.

Возможно, когда-нибудь промышленность дойдет до такого развития, что окажется способна добывать рингвудит из земных недр, а потом извлекать заключенную в него воду.

Источник

«Подземный океан» в переходной зоне мантии образовался более 3,3 млрд лет назад

Рис. 1. Вид на реку Комати в горной стране Барбертон (Южная Африка). Коматииты зеленокаменного пояса Барбертон (Barberton Greenstone Belt) — одни из древнейших горных пород на Земле (3,3 млрд лет) — стали объектами данного исследования. Фото руководителя научной группы академика Александра Соболева из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Международная научная группа под руководством российских геохимиков из Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН установила, что огромные запасы воды, находящиеся в переходной зоне мантии Земли, превосходящие по массе воды всего Мирового океана, образовывались еще в палеоархее (более 3,3 млрд лет назад) за счет погружения в мантию на глубину 410–660 км океанической коры, обогащенной морской водой. А это значит, что механизм тектоники плит, отличающий Землю от всех других планет Солнечной системы, заработал уже на ранних этапах становления нашей планеты.

Основным источником информации о составе земной мантии являются вулканические породы, кристаллизовавшиеся из мантийных магм, наиболее распространенными представителями которых сегодня являются базальты. Однако в архейский период на поверхность Земли кроме базальтовых изливались значительно более горячие, коматиитовые лавы, возникшие в результате плавления глубинного мантийного вещества, доставляемого к подножию литосферы в составе мантийных плюмов.

Коматиит

Коматиит — вулканическая горная порода ультраосновного состава (SiO₂ 40–45%) нормальной щелочности (Na₂O+K₂O менее 1%) c высоким содержанием магния (МgO 18–40%). По количеству в ее составе темноцветных минералов (>90%) относится к группе ультрамафических пород. Коматииты впервые описаны французскими исследователями братьями Морисом и Робертом Вильон в 1969 году в бассейне реки Комати в Южной Африке. Позднее такие же породы были обнаружены в Канаде, Австралии, Финляндии, России и других странах.

Коматиит. В стекловатой основной массе присутствуют игольчатые выделения оливина. Порода частично серпентинизирована. Фото с сайта rockref.vsegei.ru

Коматииты залегают в виде лавовых потоков толщиной 0,5–20 м в основании многокилометровых толщ, слагающих архейские зеленокаменные пояса (единственным исключением являются уникальные коматииты мелового возраста, обнаруженные на острове Горгона у берегов Колумбии). Коматииты — самые тугоплавкие породы на Земле (начальная температура коматиитового расплава составляет около 1800°C, а температура кристаллизации — не ниже 1500°C).

К сожалению, все известные на поверхности Земли коматииты претерпели существенные постмагматические изменения, и их основные первичные минералы (оливин и клинопироксен) превратились в агрегат вторичных минералов — серпентина, тремолита, хлорита, карбонатов, талька. Все эти вторичные минералы содержат в своем составе Н₂О, Cl и другие летучие компоненты, и судить по валовому составу измененных пород (массовая доля элементов в процентах) о составе первичного коматиитового расплава невозможно. Тем не менее даже в измененных коматиитах кое-где сохранились реликты магматического оливина, который в свою очередь содержит включения первичного коматиитового расплава, захваченного в процессе кристаллизации.

В 2016 году международная группа ученых во главе с академиком РАН Александром Соболевым из Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, изучая в Канаде коматииты зеленокаменного пояса Абитиби (Abitibi greenstone belt) возрастом 2,7 млрд лет, обнаружила, что в микроскопических капельках магматического расплава, сохранившихся в виде включений в реликтовых кристаллах оливина, содержится вода (0,6%) и хлор, а также целый ряд других элементов, таких как рубидий, барий, свинец и стронций (Sobolev et al., 2016. Komatiites reveal a hydrous Archaean deep-mantle reservoir).

Это были первые полученные данные о содержании летучих компонентов в первичных магмах архейских коматиитов, доказывавшие присутствие воды и хлора в переходной зоне мантии (на глубине 410–660 км), где формировались мантийные плюмы, в неоархейское время. Учитывая то, что высокобарические разновидности оливина — вадслеит и рингвудит, которые являются главными минералами переходной зоны мантии, под высоким давлением способны содержать в своем составе до 2,5% воды (D. Pearson et al., 2014. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond), масса «подземного океана» воды, заключенного в этих минералах, по крайней мере не меньше массы современного Мирового океана.

В новой статье в Nature та же научная группа опубликовала данные изучения расплавных включений, содержащих воду, в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Барбертон (ЮАР), имеющих возраст 3,3 млрд лет, то есть на 600 млн лет более древних, чем коматииты пояса Абитиби.

Авторы изучали химический и изотопный анализов включений с применением высокоточных инструментов локального микроанализа, таких как электронный микрозонд, масс-спектрометрия с лазерной абляцией и ион-микропробный анализ (ионный зонд). Предварительно включения подвергали гомогенизации с помощью нагрева до температуры коматиитовой магмы (более 1500°C) на высокотемпературной экспериментальной установке (рис. 2) с последующей моментальной закалкой и получением чистого закалочного стекла, которое уже использовалось для проведения анализов.

Рис. 2. Высокотемпературная экспериментальная установка (до 1700 °С) с контролем давления кислорода, установленная в ГЕОХИ РАН. Фото Александра Соболева из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Результаты исследования показали, что коматиитовый расплав содержит в среднем 0,28% Н₂О, температура его образования составляла более 1750°C, а температура в момент излияния — около 1550°C. В целом же по разным образцам содержание Н₂О в расплавных включениях колеблется от 0,10 до 0,56%. И это очень высокие показатели для древних коматиитовых магм, которые раньше вообще считались «сухими».

Ученые проанализировали содержание основных окислов и элементов в составе включений, включая редкоземельные элементы и сравнили это с составом так называемой примитивной мантии (см. Primitive mantle) — гипотетической оболочкой Земли, которая возникла на самых ранних этапах формирования нашей планеты вокруг обособившегося железного ядра (условный состав примитивной мантии получен расчетным путем как средневзвешенный состав современных земной коры и мантии). По результатам анализов выяснилось, что коматиитовый расплав по отношению к примитивной мантии резко обогащен двумя летучими компонентами — водородом, входящим в состав воды, и хлором. Причем это относится не только к коматиитам зеленокаменного пояса Барбертон, но и ко всем прочим коматиитам, данные по которым имелись у авторов, включая уникальные молодые (90 млн лет) коматииты острова Горгона в Колумбии (рис. 3).

Рис. 3. Элементный состав расплавных включений в оливинах из коматиитов по отношению к составу примитивной мантии, принятому за единицу: 1 — зеленокаменный пояс Барбертон (Южная Африка), 3,3 млрд лет; 2 — зеленокаменный пояс Белингве (Зимбабве), 2,7 млрд лет; 3 — зеленокаменный пояс Абитиби (Канада), 2,7 млрд лет; 4 — остров Горгона (Колумбия), 90 млн лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Полученные аналитические данные позволили ученым провести сравнение состава коматиитовых расплавов не только с составом примитивной мантии, но и с составом других производных мантийных расплавов — базальтовых магм. Наиболее информативными в этом плане являются геохимические отношения Н₂О/Се и Ba/Nb. Первое отношение хорошо тем, что не изменяется в процессе фракционной кристаллизации оливина, оставаясь постоянным от самого источника (резервуара), в котором формируется расплав, до места кристаллизации. Второе отношение позволяет разделить между собой базальты типа MORB (mid-ocean ridge basalt — базальты срединно-океанических хребтов), являющиеся прямыми производными верхней мантии, и базальты типа IAB (island arc basalt —базальты островных дуг), которые в своем составе помимо вещества верхней мантии имеют примесь материала континентальной земной коры (рис. 4).

Рис. 4. Отношения Н₂О/Се (церий) и Ba/Nb (барий/ниобий) в расплавных включениях в оливине базальтов (серые точки) и коматиитов (черные кружочки) в сравнении с примитивной мантией (зеленый ромб). Цветом выделены поля базальтов различных типов: MORB — базальты срединно-океанических хребтов; OIB — базальты океанических островов (ocean island basalts); ВАВ — базальты задуговых бассейнов (back-arc basin basalts); IAB — базальты островных дуг; СМВ — базальты активных континентальных окраин (continental margin basalts). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

В итоге выяснилось, что, судя по Н₂О/Се, коматииты демонстрируют резкую обогащенность водой по сравнению с верхнемантийными базальтами типа MORB. Вероятно, это связано с тем, что источник, обогативший водой коматиитовую магму, лежит ниже уровня образования этих базальтов, в переходной зоне между верхней и нижней мантией.

Для подтверждения данного предположения авторы использовали маркер отношения тяжелого (дейтерий, D или 2 H) и легкого (протий, 1 H) изотопов водорода — D/ 1 H. Коэффициент δD (отклонение в отношении D/ 1 H в ‰ относительно стандартного отношения в современной морской воде) в океанической коре составляет от −20 до −50‰, а в мантии — около −60‰. Тот же коэффициент для расплавных включений в оливине коматиитов составил по результатам анализов около −140‰. Надо отметить, что авторами выполнены первые анализы изотопов водорода в коматиитовом расплаве.

Авторы объясняют полученные результаты следующим образом. Взаимодействие пород океанической коры (черный цвет на рис. 5) с морской водой, приводит к их изменению с образованием минералов, содержащих воду (с повышенным коэффициентом δD) и хлор, таких как серпентин, хлорит и другие. При переносе этих минералов в глубинную мантию в процессе субдукции океанической коры растущие температуры и давления приводят к их дегидратации, то есть преобразованию в другие, менее водонасыщенные минералы и выделению большей части воды и хлора в виде флюида. При этом дейтерий (D) — тяжелый изотоп водорода — в большей степени поступает во флюидную фазу воды, в то время как легкий изотоп протий ( 1 Н) в большей степени сохраняется в структуре минералов. Оставшиеся в дегидратированном материале Cl и H₂O попадают в переходную зону мантии (фиолетовый цвет) и концентрируются в высокобарических модификациях оливина — рингвудите и вадслеите.

Таким образом в переходной зоне возникает мантийный источник с повышенными содержаниями H₂O и Cl и низким значением δD. Мантийный плюм (желтый цвет) перемещается через переходную зону в частично расплавленном состоянии (красные капли символизируют степень плавления), что приводит к захвату воды и хлора из переходной зоны (фиолетовые точки). Последующий подъем плюма приводит к еще более обширному плавлению вследствие декомпрессии и отделению расплава, который изливается в виде коматиитовых лав на поверхности.

Рис. 5. Схема переноса H₂O и Cl измененной архейской океанической литосферой в переходную зону мантии и последующего захвата этого материала архейским мантийным плюмом. Рисунок © Е. В. Асафов из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Таким образом механизм переноса пород земной коры в глубинную мантию приводит к появлению уникальной геохимической метки мантийных пород — повышенным содержаниям воды и хлора и обедненному дейтерием изотопному составу водорода, — свидетельствующей о том, что механизм погружения насыщенной морской водой океанической коры в мантию функционировал уже более 3,3 млрд лет назад. А это значит, что уже в первый миллиард лет существования Земли происходил глобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, а источником избытка воды в переходной зоне мантии был древний океан на поверхности планеты.

Источник