Исследователи узнали откуда на Земле взялся океан

В раннем архее, от 4,0 до 3,2 миллиарда лет назад, поверхность Земли, по-видимому, была практически полностью покрыта глобальным океаном. К такому выводу пришли ученые на основе расчета зависимости между температурой мантии и темпами ее дегидратации, служившей главным источником образования Мирового океана. Более горячая, чем сегодня, мантия раннеархейской Земли активно теряла связанную в породах воду, в результате чего баланс водного обмена между недрами и поверхностью планеты был сдвинут в пользу увеличения объемов океана, сообщает статья в журнале AGU Advances.

Вода вошла в состав вещества примитивной Земли еще на стадии аккреции и, по-видимому, сразу начала поступать на поверхность в ходе дегазации, сопровождавшей гравитационную дифференциацию недр. Благодаря этому процессу на планете сформировались первичная атмосфера и океан. После того как начал действовать механизм тектоники плит, вода через зоны субдукции стала попадать обратно в мантию, и за счет регидратации мантийных пород объем океана уменьшился.

Оценка величины эвстатических (глобальных и медленных) колебаний уровня океана показала, что по крайней мере на протяжении фанерозойского эона (от 543 миллионов лет назад до настоящего времени) количество воды на поверхности Земли оставалось приблизительно постоянным. Однако в более ранние эпохи оно могло существенно отличаться от современного. Косвенно на это указывают исследования изотопного состава серпентинизированных, то есть подвергшихся гидратации, пород океанического дна раннеархейского (3,8 миллиарда лет) возраста. Древний океан был обеднен дейтерием на 25 ± 5 промилле по отношению к современному, и для того чтобы фракционирование изотопов водорода в процессах континентального роста и субдукции привело к нынешнему содержанию тяжелой воды, океан ранней Земли должен был быть примерно на 26 процентов больше по объему.

При этом, как показало одно из недавних исследований, вода, попадающая в мантию при субдукции, концентрируется главным образом на глубинах от 410 до 660 километров — в переходном слое, состоящем в основном из вадслеита и рингвудита — высокобарических модификаций оливина (Mg,Fe)₂SiO₄. На границе нижнего слоя при давлении около 24 гигапаскалей рингвудит переходит в бриджманит (Mg,Fe)SiO₃, способность которого к аккумуляции воды гораздо ниже.

Группа исследователей во главе с Цзюньцзе Дунем (Junjie Dong) из Гарвардского университета оценила, как изменялась способность главных компонентов мантии к удержанию воды в зависимости от температуры. Согласно современным моделям ранней эволюции Земли, в начале архея (4,0–3,2 миллиарда лет назад) мантия была горячее, чем в настоящее время. В качестве показателя в этих моделях берется так называемая потенциальная температура — величина, характеризующая температуру мантийного вещества на средней глубине, адиабатически (то есть без теплообмена с окружающей средой) охладившегося при подъеме на поверхность, в условия атмосферного давления. Потенциальная температура современной мантии составляет около 1600 кельвин, а в раннем архее она могла достигать 1800–2000 кельвин, и мантийные минералы удерживали воду хуже.

Насколько хуже, показали расчеты, выполненные учеными на основе экспериментальных данных о фазовом поведении главных компонентов мантии, дополненных результатами моделирования для бриджманита и других составляющих нижней мантии. Объединив данные об условиях плавления, при котором происходит высвобождение связанной воды, исследователи построили модель водоаккумулирующей способности вещества в глубоких недрах Земли. В этой модели максимальное количество воды, которое могут удерживать минеральные ассоциации в мантии, представляет собой функцию потенциальной температуры: чем она выше, тем меньше воды связывается в веществе. Главная роль в регуляции содержания воды принадлежит бриджманиту, составляющему более половины массы всей мантии.

Согласно расчетам Цзюньцзе Дуня и его коллег, породы мантии в настоящее время аккумулируют от 1,86 до 4,41 массы современного Мирового океана, которая определена примерно в 1,335 × 10²¹ килограмм. Большой разброс верхней и нижней границ в оценке содержания воды связан с недостаточно точными данными по бриджманиту; статистическая медиана оценки составляет 2,29 масс океана. Если принять, что в раннем архее мантия была на 300 градусов горячее, чем сейчас, она могла удерживать лишь 0,52–1,69 масс океана (при медиане 0,72). Высвобождаемая вода — от 1,19 до 1,56 масс океана — в основном поступала на поверхность Земли (некоторая часть ее могла оставаться в мантийных расплавах).

Насколько планета напоминала «водный мир», зависит от степени развития прото-континентальных массивов раннего архея, то есть от их площади и высоты. В рамках построенной исследователями модели наиболее вероятна ситуация, когда водой была покрыта практически вся поверхность, за исключением немногих возвышенных участков. Хотя геологические записи раннего архея редки, они согласуются с картиной глобального или чрезвычайно обширного океана. Так, данные изотопных исследований показывают, что практически все крупные вулканические провинции этого периода были подводными.

Следствием существования глобального океана, по мнению авторов модели, могла стать активная гидратация примитивной океанической литосферы, способствовавшая возникновению тектоники плит. Альбедо Земли, поверхность которой скрывалась под плотной облачной атмосферой, насыщенной водяными парами, должно было быть достаточно высоким, что уже в середине архея привело к снижению температуры на поверхности.