Алмаз, недавно извлеченный из шахты в Ботсване, раскрыл ценные сведения о внутренних процессах нашей планеты. Его многочисленные включения указывают на то, что он образовался на глубине около 660 километров под поверхностью земли в переходной зоне между верхней и нижней мантией, в особенно богатой водой среде. Ученые не ожидали найти воду на такой глубине.
Более 70% нашей планеты покрыто водой. Но земная кора состоит из тектонических плит, как океанических, так и континентальных, которые движутся и скользят друг под другом. Во время этих субдукционных событий вода просачивается в мантию Земли, подпитывая процесс, известный как "глубинный круговорот воды", в отличие от поверхностного круговорота воды. Находясь в глубине Земли, вода поглощается различными минералами, которые в конечном итоге поднимаются на поверхность в результате вулканической активности.
Минералы в верхней мантии содержат воду, но ученые считали, что на больших глубинах это невозможно - или, по крайней мере, в очень ограниченных количествах. Однако недавно исследователи обнаружили алмаз, содержащий несколько включений, образовавшихся в присутствии воды, предположительно из "660-километрового разрыва". Это открытие может поставить под сомнение наше понимание круговорота глубинных вод и, как следствие, тектоники плит.
Подавляющее большинство алмазов образуется на глубине от 150 до 200 км под поверхностью Земли; лишь немногие образуются в результате более глубоких процессов. Тингтинг Гу, физик из Геммологического института Америки, и его коллеги недавно изучили один из таких редких алмазов, тип IaB, из шахты Карове в Ботсване. Этот бриллиант имеет дюжину минеральных включений.
Используя неинвазивные методы (микрорамановскую спектроскопию и рентгеновскую дифракцию), команда исследовала эти различные включения, чтобы определить их природу. Они идентифицировали рингвудит - полиморф ортосиликата магния-железа (Mg,Fe)2SiO4, который образуется из оливина при очень высоких температурах и давлениях. Рингвудит обычно встречается в переходной зоне между верхней и нижней мантией, между 410 и 660 км ниже поверхности.
Вокруг этого рингвудита исследователи также обнаружили ферропериклаз - с формулой (Mg,Fe)O, который считается одним из основных компонентов нижней мантии Земли - и энстатит (силикат магния). При давлении в переходной зоне рингвудит разлагается на феропериклаз и другой минерал, называемый бриджманитом. При более низких давлениях, ближе к поверхности, бриджманит превращается в энстатит. Таким образом, одновременное присутствие этих различных видов в алмазе позволяет предположить, что он образовался на глубине, прежде чем подняться в кору.
Что еще более важно, рингвудит, как и другие минералы, найденные в этом алмазе, проявляют гидрогенные характеристики, что говорит о том, что среда, в которой образовался алмаз, была довольно влажной. "Петрологический характер включений указывает на то, что рингвудит (∼Mg1.84Fe0.15SiO4) разложился на бриджманит (∼Mg0.93Fe0.07SiO3) и ферропериклаз (∼Mg0.84Fe0. 16O) в водонасыщенной среде на 660-километровом разрыве", — пишут исследователи в журнале .
Открытие, проливающее свет на некоторые сейсмические и вулканические явления
Это не первый случай обнаружения следов воды в переходной зоне мантии. В 2018 году исследователи сообщили об обнаружении включений формы воды под высоким давлением, называемой ice-VII, в алмазах на глубине от 410 до 660 км. Но сочетание материалов, найденных в этом ботсванском алмазе, действительно уникально, отмечают исследователи.
Данные, представленные в 2018 году, не позволили оценить количество воды, хранящейся на этих глубинах. Было высказано предположение, что обогащение воды также может быть связано с наличием небольшого локализованного водного кармана. Но исследование Гу и его коллег дает больше поддержки идее о существовании в основном водной среды. "Состав перидотита и водные условия распространяются, по крайней мере, через переходную зону и в нижнюю мантию", — говорят они.
В переходной зоне сейсмические волны загадочным образом меняют скорость. Рингвудит удерживает воду лучше, чем феропериклаз и энстатит, поэтому минерал, вероятно, выделяет много воды, когда претерпевает изменения на этой границе. Этот потенциальный выброс воды может объяснить, почему сейсмические волны распространяются по-разному в этом регионе.
Кроме того, вода, захваченная в минералах, вероятно, играет роль в уровне вязкости мантии и внутренних динамических процессах. В частности, присутствие воды может способствовать формированию магматических шлейфов и влиять на взрывную силу вулканического извержения.
Открытие, сделанное Гу и его командой, позволяет предположить, что запасы воды в глубинах Земли могут легко превышать объемы воды на поверхности. Откуда взялась эта вода, пока неизвестно. Была ли она занесена сюда в результате процессов субдукции или присутствовала с момента образования Земли? Чтобы узнать больше, исследователи должны будут проанализировать микроэлементы, присутствующие во включениях.