В земной мантии нашли «Мировой океан»

По современным представлениям, мантия Земли представляет собой геосферу между ядром и корой на глубинах 30–2900 километров от поверхности. Условно эта часть планеты подразделяется на верхнюю и нижнюю, при этом на глубине 410–670 километров находится переходная зона (mantle transition zone, MTZ) — слой Голицына. Прошлые работы показали, что, в отличие от других участков, в MTZ может находиться жидкая вода. Так, 2014 году геологи обнаружили в кимберлите рингвудит с содержанием воды 1,4 процента. Однако, поскольку мантия остается недосягаемой для прямого изучения (к настоящему времени удалось достичь глубины в 12 262 метра), уточнение показателя по-прежнему ограничено.

Чтобы восполнить пробел, сотрудники Университета Окаяма, Байройтского университета и других учреждений провели эксперимент. При формулировании гипотезы они опирались на критерий вязкости, которая может определяться по неравномерному распределению силы тяжести в разных районах планеты и распространению сейсмических волн. Известно, что по мере удаления от MTZ и приближения к нижней мантии вязкость вещества значительно увеличивается. Сравнение вязкости рингвудита и бриджманита — основных минералов переходной зоны и нижней мантии соответственно — с учетом данных о гравитации и показателей после голоцена может прояснить объем воды в первой.

Также, согласно предыдущим исследованиям, пластическая деформация горных пород, образованных из вещества нижних слоев мантии, происходит по типу дислокации, а не диффузии. Исходя из мобильности линейных дефектов в кристаллической решетке минералов, авторы могли оценить их вязкость. Для этого они синтезировали 30–1000-микрометровые монокристаллы рингвудита (с разным содержанием воды) и бриджманита, после чего при температуре до 1726 градусов Цельсия деформировали их с помощью пятитонного пресса. В течение четырех часов в системе поддерживалось давление 22–25 гигапаскаль, затем — для возникновения дислокаций — 30 минут при 0,1 гигапаскаля.

Результаты показали, что при концентрации воды в 1–2 процента вязкость искусственного рингвудита аналогична показателю, характерному для MTZ. По мнению исследователей, для температурного диапазона, который, предположительно, наблюдается в переходной зоне мантии, предельное содержание жидкости в минерале может составлять 0,8–1,5 процента в зависимости от глубины. Таким образом, авторы пришли к выводу, что объем воды в слое Голицына, вероятно, является максимальным (особенно ближе к нижней мантии) и сопоставим с показателем Мирового океана — порядка 1340 миллионов кубических километров. В пользу гипотезы говорит и эффект затухания сейсмических волн в MTZ.

Подробности работы представлены в журнале Science Advances.

В апреле стало известно, что японские ученые приступили к подготовке нового проекта по бурению скважины к мантии. Сейчас они осуществляют поиск оптимальной точки начала работ.