Действительно ли внутри Земли скрыто больше воды, чем во всех океанах вместе взятых?

Этот вопрос долгое время разделял геологов на два лагеря. С одной стороны, объем Мирового океана на поверхности известен достаточно точно: он составляет около 1,33 миллиарда кубических километров, а его масса равна примерно 1,4 x 10²¹ килограмма. Это составляет всего 0,02% от общей массы нашей планеты. С другой стороны, масса мантии Земли неизмеримо больше — около 4 x 10²⁴ килограмма. Если горные породы на большой глубине способны удерживать в своей структуре хотя бы доли процента связанного водорода и кислорода, то общий объем подземной воды может превысить объем всех морей и океанов на поверхности в несколько раз.

Однако прямые наблюдения за недрами планеты невозможны. Самая глубокая скважина, пробуренная человеком — Кольская сверхглубокая, уходит вглубь всего на 12 262 метра. Это меньше 0,2% расстояния от поверхности до центра Земли. Все, что находится глубже, ученые вынуждены исследовать двумя путями: регистрируя прохождение сейсмических волн от землетрясений и воссоздавая колоссальные давления и температуры глубин в лабораториях.

Недавнее исследование международной группы ученых под руководством геохимиков из Байройтского университета в Германии показало: на границе между мантией и ядром Земли существуют условия для формирования минералов, способных удерживать колоссальные объемы связанной воды. Открытие двух ранее неизвестных соединений железа дает четкий физический механизм того, как первичная вода планеты сохранилась на глубине около трех тысяч километров и почему ее объем действительно может превосходить поверхностные океаны.

Геохимический след первичной воды

Поводом для поиска глубоких резервуаров воды стали данные химического анализа вулканических пород. В базальтах канадского острова Баффинова Земля и в излияниях вулканов Исландии исследователи обнаружили изотопный состав газов, который резко отличается от состава типичной земной коры.

Ключевым маркером служит соотношение изотопов водорода: легкого протия и тяжелого дейтерия. Вода, которая циркулирует на поверхности Земли, испаряется, выпадает в виде осадков и взаимодействует с атмосферой, имеет одно строго определенное соотношение дейтерия к протию. В лавах Баффиновой Земли доля дейтерия оказалась заметно ниже стандартных океанических значений.

Такое низкое содержание тяжелого водорода характерно для первичного вещества Солнечной системы — газопылевого облака, из которого 4,5 миллиарда лет назад образовались Солнце и планеты. Это означает, что магма, излившаяся в Арктике и Исландии, поднялась с самых глубоких горизонтов планеты и вынесла на поверхность вещество, которое не участвовало в поверхностном круговороте воды миллиарды лет.

Здесь возникает главное физическое противоречие. В период аккреции — формирования Земли из сталкивающихся астероидов и протопланетных тел — выделялось огромное количество гравитационной и ударной энергии. Планета была расплавлена на глубину в тысячи километров. Образовался так называемый магматический океан.

В условиях расплавленного камня летучие элементы, включая воду, неизбежно переходят в газовую фазу. Происходит интенсивная дегазация: газы поднимаются к поверхности, образуют плотную первичную атмосферу, откуда легкий водород непрерывно уходит в космическое пространство. Чтобы значительная часть воды осталась внутри планеты при температурах свыше двух тысяч градусов, она должна была быть физически связана в минералах, обладающих колоссальной стабильностью и высокой плотностью. Долгое время минералогия не знала веществ, способных решить эту задачу на глубинах свыше тысячи километров.

В каком виде вода существует внутри планеты

Когда исследователи говорят о воде на глубине сотен и тысяч километров, речь не идет о подземных полостях, реках или жидких скоплениях. При давлениях в десятки и сотни тысяч атмосфер существование свободной жидкости в толще пород невозможно.

Вода внутри мантии Земли существует исключительно в химически связанном состоянии. Молекула воды H₂O разделяется на составляющие: ион водорода (протон, H⁺) и гидроксильную группу (OH⁻). Эти ионы внедряются в кристаллическую решетку силикатных и оксидных минералов. Они замещают другие ионы или занимают дефекты структуры и межузельные пространства в кристаллах. Минерал остается твердым камнем, но содержит в себе компоненты, которые при плавлении или снижении давления соединяются обратно в молекулы воды.

В верхней мантии и переходной зоне (на глубинах от 410 до 660 километров) такие минералы давно известны. Это рингвудит и вадслеит — модификации силиката магния высокого давления. Лабораторные эксперименты и редкие находки алмазов, вынесенных с этих глубин, доказали: рингвудит может содержать от одного до двух процентов воды по массе. Если переходная зона насыщена этими минералами, там уже содержится объем воды, сопоставимый с одним Мировым океаном.

Однако ниже отметки в 660 километров начинается нижняя мантия, на которую приходится больше половины объема всей Земли. При таком давлении рингвудит распадается на другие фазы — бриджманит и ферропериклаз. Кристаллические структуры этих минералов устроены настолько плотно, что в них практически нет места для ионов водорода. Бриджманит способен удерживать лишь сотые или тысячные доли процента воды.

Долгое время считалось, что нижняя мантия представляет собой абсолютно сухой барьер. Если минералы верхней мантии не могут передать воду глубже, то гипотеза об океанах внутри планеты наталкивалась на непреодолимое ограничение: огромная толща пород толщиной более двух тысяч километров не имела подходящего носителя для водорода.

Воспроизведение экстремальных глубин

Чтобы разрешить этот парадокс, исследователи обратили внимание на самую нижнюю область силикатной оболочки Земли — границу между мантией и внешним жидким ядром, расположенную на глубине 2900 километров. Здесь условия становятся экстремальными: давление превышает 100 гигапаскалей (миллион атмосфер), а температура поднимается выше 2000 °C из-за тепла, идущего от металлического ядра.

Для проверки того, какие минеральные фазы могут существовать на этой глубине, авторы работы использовали ячейки с алмазными наковальнями. Это прецизионное устройство, в котором две противоположные грани искусственных алмазов идеальной огранки сжимают микроскопический образец вещества. Поскольку площадь острия алмаза составляет доли миллиметра, при приложении механического усилия на образце создается колоссальное физическое давление.

В экспериментах Байройтского университета параметры довели до значений:

• Давление: от 78 до 198 гигапаскалей (что соответствует давлению на глубинах от 1800 до 3000 километров).
• Температура: от 2100 до 2500 °C (2400-2800 кельвинов).

Нагрев образца осуществляли при помощи мощных инфракрасных лазеров, сфокусированных сквозь прозрачные кристаллы алмазов прямо на сжатом материале.

Главная техническая сложность заключалась в том, чтобы понять, что происходит с веществом в момент нагрева под давлением в миллион атмосфер. Обычные микроскопы здесь бесполезны. Исследователи поместили алмазные ячейки на пути пучка рентгеновского излучения высокой энергии, генерируемого синхротроном — циклическим ускорителем частиц.

Рентгеновские лучи, проходя через сжатый кристалл, рассеиваются на атомах кристаллической решетки. По картине этого рассеяния (дифракции) физики с абсолютной точностью восстанавливают пространственное расположение каждого атома в веществе и определяют его точный химический состав непосредственно в ходе эксперимента.

Новые оксигидроксиды железа

В ходе экспериментов ученые синтезировали два принципиально новых химических соединения: Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ. Это сложные оксигидроксиды железа, в которых железо находится в смешанных степенях окисления, а атомы кислорода образуют сверхплотную упаковку, удерживающую водород.

Главным открытием стало то, при каких условиях формируются эти вещества. Исследователи ожидали, что подобные фазы появятся только в смесях, искусственно перенасыщенных водой. Однако эксперимент показал обратное: соединения кристаллизовались даже в тех образцах, которые были высушены и содержали лишь незначительные следовые количества влаги.

Это фундаментальный вывод: при давлениях свыше 80 гигапаскалей кристаллическая структура этих соединений железа становится термодинамически выгодной только тогда, когда в нее встраивается водород. Вещество активно притягивает к себе любые доступные протоны из окружающей среды, стабилизируя собственную решетку.

Ранее считалось, что высокое давление и температура всегда разрушают гидроксильные связи в минералах и приводят к их иссушению. Данный эксперимент показал, что существует обратный процесс: при сверхвысоких давлениях водород становится стабилизирующим элементом для плотных кристаллических структур тяжелых металлов.

Механизм накопления: почему эти минералы не исчезли

Синтез вещества в лаборатории доказывает лишь физическую возможность его существования. Чтобы понять, действительно ли эти соединения находятся на дне мантии Земли, необходимо сопоставить их свойства с геологической историей планеты.

Существует два независимых пути, которыми железо и водород могли встретиться на границе ядра и мантии:

1. Кристаллизация первичного магматического океана

В ранней истории Земли расплавленная силикатная масса остывала снаружи внутрь. Верхние слои затвердевали первыми, образуя твердую оболочку. В жидком остатке, который оттеснялся вниз, к металлическому ядру, последовательно накапливались химические элементы, которые хуже всего встраивались в решетку обычных силикатов (прежде всего оливина и пироксена).

Этими элементами были тяжелое железо и легкий водород. К моменту, когда остывание подошло к границе формирующегося ядра, там образовался остаточный расплав, чрезвычайно обогащенный железом и летучими компонентами. В этих условиях неизбежно должны были сформироваться стабильные фазы Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ.

2. Субдукция литосферных плит

Второй источник работает непрерывно на протяжении миллиардов лет. В процессе тектоники плит океаническая кора, пропитанная морской водой, погружается в мантию в зонах субдукции (например, под островными дугами или по краям океанов).

Большая часть воды теряется на глубинах до 200 километров, питая вулканы островных дуг. Однако часть гидратированных пород избегает обезвоживания и опускается глубже. Опустившись на глубину 2900 километров, эти плиты сталкиваются с породами, богатыми железом, и вступают с ними в реакцию, образуя описанные оксигидроксиды.

Ключевой фактор сохранения этих соединений — их удельная плотность. Поскольку основу соединений составляет железо, их масса на единицу объема значительно превышает плотность типичных силикатных пород мантии.

В физике недр действует простое правило гравитационной дифференциации: более легкие породы под действием конвекции стремятся вверх, тяжелые — опускаются вниз. Высокая плотность Fe₅O₁₂Hₓ не позволяет ему подняться в средние или верхние горизонты мантии. Минерал остается на границе с ядром, формируя стабильные горизонтальные залежи, изолированные от внешнего мира на протяжении миллиардов лет.

Оценка объемов: сколько воды скрыто внизу

Чтобы ответить на вопрос, скрыто ли в недрах больше воды, чем во всех океанах, исследователи провели количественные расчеты водородной емкости новых соединений.

Формула Fe₅O₁₂Hₓ показывает чрезвычайно высокую концентрацию водорода для ультраглубоких минералов. В пересчете на эквивалент воды (H₂O) это соединение способно удерживать заметную массовую долю летучих компонентов прямо в кристаллической решетке.

Масса силикатной мантии Земли составляет приблизительно 4,0 x 10²⁴ килограмма. Нижняя мантия составляет около 70% этой массы (около 2,8 x 10²⁴ килограмма).

Если открытый минерал Fe₅O₁₂Hₓ распределен в нижней мантии не повсеместно, а сконцентрирован исключительно в локальных линзах на границе ядра и мантии, и его суммарная масса составляет всего лишь 1% от массы нижней мантии, то в этих залежах оказывается связано следующее количество водорода:

• Общая масса такого минерального слоя составит около 2,8 x 10²² килограмма.
• Учитывая химическую емкость решетки по водороду, это эквивалентно консервации от 1,5 x 10²¹ до 3,0 x 10²¹ килограмма воды.

Масса всего Мирового океана на поверхности Земли, напомним, равна 1,4 x 10²¹ килограмма.

Таким образом, присутствие всего лишь одного объемного процента этого минерала на границе ядра и мантии полностью покрывает массу одного-двух поверхностных Мировых океанов.

Если же учесть емкость переходной зоны мантии (на глубине 410-660 км, где вода связана в рингвудите), то суммарные запасы водорода в недрах Земли оцениваются в диапазоне от трех до пяти объемов Мирового океана.

Ответ на поставленный вопрос оказывается строго положительным: внутри твердого тела планеты физически и химически связано в несколько раз больше компонентов воды, чем находится на ее поверхности в виде жидких морей, ледников и пара атмосферы.

Разгадка сейсмических аномалий

Открытие новых фаз высокого давления объясняет давнюю загадку геофизики, связанную с сейсмическим зондированием недр.

Когда в любой точке планеты происходит мощное землетрясение, сейсмические волны прошивают Землю насквозь. Сеть сейсмографов на противоположной стороне планеты фиксирует время их прихода и амплитуду. Скорость распространения этих волн зависит исключительно от упругости и плотности пород, через которые они идут.

В 1990-х годах геофизики обнаружили на границе между мантией и внешним ядром странные области, получившие название зон сверхнизких скоростей (ULVZ — Ultra-Low Velocity Zones). В этих зонах, имеющих толщину от нескольких километров до десятков километров, скорость поперечных сейсмических волн падает на 10-30%, а продольных — на 5-10%.

Раньше это явление объясняли тем, что мантия в этих местах частично расплавлена из-за теплового потока от ядра. Однако модель частичного плавления силикатов плохо согласовывалась с термодинамическими моделями: расплав силикатов при таком давлении должен был быстро менять свое положение за счет разницы плотностей.

Синтез соединений Fe₅O₁₂Hₓ и Fe₇O₁₂Hₓ дает ясное минералогическое объяснение без необходимости привлекать повсеместное плавление:

1. Концентрация тяжелого железа. Оксигидроксиды содержат огромную долю железа. Повышение плотности вещества при сохранении его твердого состояния естественным образом снижает скорость прохождения упругих волн.
2. Обеднение окружающих пород. Чтобы сформировать эти соединения, кристаллическая решетка при синтезе активно извлекает железо из окружающих силикатов — в первую очередь из бриджманита. Это изменяет состав минералов по соседству, сдвигает фазовые границы пород и создает резкую локальную контрастность упругих свойств.

Участки скопления железистых гидратов на границе с ядром ведут себя именно так, как показывают сейсмограммы зон сверхнизких скоростей: они резко тормозят сейсмические волны, подтверждая факт своего присутствия в этих районах.

Глубинный двигатель мантийных плюмов

Вопрос о том, как вода из глубин попадает обратно на поверхность, связывает физику кристаллов с глобальным вулканизмом.

Силикатные породы мантии имеют высокую температуру плавления. Однако оксигидроксиды железа, содержащие водород, обладают важным термодинамическим свойством: они плавятся при значительно более низких температурах, чем окружающие их безводные силикаты (бриджманит и периклаз).

Граница ядра и мантии непрерывно нагревается за счет охлаждения внешнего металлического ядра Земли. Когда тепловой поток нагревает залежи Fe₅O₁₂Hₓ, эти породы достигают точки своего плавления первыми.

В момент плавления происходит следующее:

1. Кристаллическая решетка гидроксида железа разрушается.
2. Водород и кислород высвобождаются в виде флюида (высокотемпературного сжатого водного раствора) прямо в вышележащие слои мантии.
3. Попадание воды в твердые силикатные породы резко снижает температуру их плавления. Это явление в геологии называют флюсовым плавлением.

В результате локальный объем мантии теряет вязкость, плавится и становится легче окружающей холодной среды. За счет силы Архимеда этот гигантский объем горячего пластичного расплава начинает медленно подниматься вверх сквозь всю толщу мантии к коре.

Так зарождаются мантийные плюмы — восходящие тепловые потоки, которые поднимаются со дна мантии на протяжении десятков миллионов лет. Достигая основания земной коры, плюм проплавляет ее и формирует горячие точки глубинного вулканизма.

Именно эти плюмы сформировали базальтовые плато на острове Баффинова Земля и питают действующие вулканы Исландии сегодня. Вместе с базальтовой магмой на поверхность Земли выносится та самая вода, которая миллиарды лет находилась в кристаллической решетке соединений железа на глубине трех тысяч километров.

Новое понимание гидрологической системы Земли

Долгое время школьные и университетские учебники описывали круговорот воды исключительно как замкнутый процесс на внешней поверхности планеты: испарение с поверхности океанов, перенос пара воздушными массами, конденсация в облака, выпадение осадков на континенты и стекание реками обратно в океан.

Открытие стабильных водосодержащих фаз на границе ядра и мантии заставляет рассматривать воду как полноправного участника глубинной геологической эволюции.

Поверхностный Мировой океан — это не изолированная водная оболочка, а динамическая фракция гораздо более крупного глубинного резервуара. Планетарная система циркуляции воды состоит из двух связанных уровней:

• Поверхностный цикл: быстрый гидрологический круговорот, где время оборота молекулы воды составляет от нескольких дней в атмосфере до тысяч лет в глубинах океана.
• Глубинный мантийный цикл: медленный геотектонический оборот с временным масштабом в сотни миллионов и миллиарды лет. В этом цикле вода опускается вглубь вместе с тонущими плитами литосферы, консервируется в плотных кристаллах соединений железа у границы ядра и возвращается на поверхность через мантийные плюмы и вулканические центры.

Земля смогла сохранить стабильный гидрологический режим, плотную атмосферу и условия для развития биосферы на протяжении четырех миллиардов лет не только благодаря расстоянию до Солнца.

Главную стабилизирующую роль сыграли физические свойства кристаллов при экстремальных давлениях. Химическое сродство плотных соединений железа к водороду превратило границу металлического ядра Земли в гигантский минеральный резервуар. Этот глубоко залегающий слой сохранил первичный водород с эпохи зарождения Солнечной системы, изолировал объемы воды, многократно превосходящие современный океан, и продолжает подпитывать геологическую активность планеты вплоть до сегодняшнего дня.

Источник: Nature Geoscience