Воды могут скрываться под ногами более чем в 250 милях (400 километрах).
Вот где мантии Земли встречается с корой. Геологи долгое время считали, что ниже этой переходной зоны (начиная с глубины 255 миль или 410 км) заполненный водой минерал, называемый брусит, был нестабилен и разлагался, посылая молекулы воды, стекающие к поверхности планеты.
Но новое исследование показывает, что до разложения брусита, который состоит из 50% оксида магния и 50% воды, он превращается в другую, более стабильную трехмерную структуру. Находка, подробно изложенная в Интернете 21 ноября в журнале «Известия Национальной академии наук», означает, что в глубине Земли находится тайник с водой, чем считалось ранее.
«Не совсем ожидалось», - сказал соавтор исследования Андреас Херманн, лектор по вычислительной физике в Эдинбургском университете в Шотландии. «потому что люди изучали этот материал в течение десятилетий, и никто никогда не думал о том, будет ли еще один этап, прежде чем он в конечном итоге развалится».
Исследование глубины Земли
Ученые ранее полагали, что брусит оставался стабильным только до переходной зоны, слой глубиной 155 миль (250 км) чуть ниже верхней мантии. Частично структура минерала определила эту точку зрения. Брусит - это слоистый материал, в котором молекулы в каждом слое прочно связаны друг с другом, но слабо связаны с другими слоями. Подобный материал, если его сжать с достаточным давлением, должен претерпеть некоторые изменения. Ранее исследователи предполагали, что в ответ на давление в переходной зоне, которое достигает примерно 200 000 атмосфер, брусит разрушится. (Одна атмосфера примерно равна давлению на уровне моря).
Не имея возможности непосредственно исследовать глубокую Землю, Герман и его соавтор Майнак Мукерджи, профессор геологии в Университете штата Флорида, использовали квантово-механические расчеты, анализируя различные возможные структуры брусита в условиях глубокой Земли.
«Это вычисления больших данных», - сказал Герман. «Мы создаем тысячи структур, оптимизируем их все и делаем расчеты достаточно точными, чтобы, если что-то выделялось как более стабильное, чем что-то другое, мы могли с уверенностью сказать, что это так».
Брусит - это хорошо изученный и относительно простой минерал. Несмотря на это, Германн сказал, что ключом к новым расчетам является игнорирование существующих предположений о брусите. После нескольких месяцев работы с различными структурами с помощью их компьютерной программы исследователи обнаружили неизвестную ранее фазу брусита, которая могла бы выдерживать высокие давления, обнаруженные в нижней мантии.
Даже с этой новой фазой брусита ученые все еще не могут непосредственно измерить количество вещества в мантии или количество воды, которое содержит минерал. Тем не менее, Герман и Мукерджи разработали упругие свойства новой фазы брусита. Зная это, сказал Германн, сейсмологи могут обнаружить, сколько брусита находится в мантии, потому что сигнатуры землетрясений различаются в зависимости от упругости породы, через которую они перемещаются.
Почему брусит имеет значение
Текущие оценки предполагают, что глубокая Земля может содержать столько воды, сколько все океаны на поверхности планеты вместе взятые. Этот резервуар воды, а также дополнительный брусит могут быть жизненно важны для движения материалов через Землю. По мере того как водосодержащие минералы перемещаются вниз через слои Земли, материалы в конечном итоге разлагаются, высвобождая воду, которая возвращается на поверхность, часто в результате вулканической активности.
Вода необходима для рециркуляции минералов посредством вулканизма и тектоники плит, потому что она обеспечивает смазку, необходимую для того, чтобы различные горные материалы проходили мимо друг друга, как это происходит в зонах субдукции. Это также помогает некоторым материалам растворяться по мере движения по горному циклу. По словам Германа, без воды планета остановится на геологическом уровне. Это означает отсутствие новой коры или почвы, а также остановку вулканизма; Эти изменения могут иметь катастрофические последствия для земли и атмосферы планеты.
Помимо потенциально меняющегося понимания учеными водоемов далеко под земной поверхностью, Герман сказал, что это исследование отстаивает новый взгляд на глубокую Землю в целом. Исследователи не нашли бы этот новый этап, если бы они предпочли принятую версию, сказал он.
