Воды подземелья

Тигран Оганесян, специальный корреспондент журнала «Эксперт».

Последние эксперименты ученых подтверждают гипотезу о существовании в недрах Земли чудовищного количества гидроксильных групп, в несколько раз превышающего количество воды в Мировом океане

В начале февраля в новостных лентах появилось сообщение: профессор сейсмологии Вашингтонского университета (Сент-Луис) Майкл Вайсешшен на пару со своим бывшим студентом-дипломником Джессом Лоуренсом обнаружили внутри земной мантии на глубинах около 1200–1400 километров огромные запасы воды, по объему сопоставимые с Северным Ледовитым океаном. Любители современной науки тут же принялись на все лады обсуждать это удивительное открытие на специализированных интернет-форумах. Для одних (закоренелых креационистов) оно стало отличным поводом для того, чтобы еще раз напомнить оппонентам (закоренелым агностикам) о библейском Всемирном потопе: вот, мол, вам важнейшее научное свидетельство в пользу того, что это полулегендарное событие действительно имело место в мировой истории (теперь наконец понятно, куда потом ушли все эти «водные хляби»); другие дружно торжествовали: вот, мол, вам, консерваторам-мейнстримовцам, ключевой аргумент, подтверждающий абиотическое (неорганическое) происхождение углеводородов: на самом деле нефть и иже с ней образуются из смеси воды и минералов внутри Земли, а не из каких-то там ископаемых окаменелостей.

Попытаемся включиться в этот нестройный хор комментаторов и мы. Правда, сразу же сделаем несколько оговорок. Во-первых, мы, от греха подальше, вообще не станем затрагивать щекотливую библейскую тему. И во-вторых, мы вынуждены откреститься от научных маргиналов: от открытия Вайсешшена—Лоуренса теория сугубо органического происхождения углеводородов никоим образом не пострадала.

Трудноуловимый элемент

Одна из уникальных особенностей нашей планеты состоит в том, что на ее поверхности присутствует вода в виде жидкости. До сих пор астрономам еще не удалось найти планет-аналогов, обладающих жидкой водной субстанцией, ни в Солнечной системе, ни за ее пределами.

Вода контролирует практически все ключевые биологические и геологические процессы, происходящие на Земле: без воды на нашей планете почти наверняка не возникла бы жизнь, основанная на углероде; с геологической точки зрения вода напрямую влияет на вулканическую активность, накопление осадочных пород, тектонику различных минералов и т. д.

Однако, несмотря на столь важную роль воды для нашей планеты, ее ключевой компонент, водород, — самый трудноуловимый элемент в составе Земли. Современная наука не в состоянии пока подсчитать, сколько водорода содержится в гидратированной океанической коре и в верхней литосферной мантии, в переходной зоне (на глубинах 410–660 км) и в нижней мантии, не говоря уже о земном ядре: разброс в различных оценках общего количества водорода внутри Земли достигает одного порядка.

Немногим больше ясности и в вопросе о происхождении водорода (а следовательно, и воды) на нашей планете: то ли оно было эндогенным, то есть накапливание водорода происходило непосредственно в процессе первичного сбора протопланетного вещества в Солнечной системе, то ли экзогенным, то есть водород был принесен позднее из околоземного пространства различными Н-обогащенными кометами.

Соответственно, согласно одной широко распространенной точке зрения, вода на Земле образовалась конденсационным путем из атмосферы вскоре после образования планеты, около 4,5 млрд лет тому назад, сторонники же альтернативного подхода настаивают на том, что вода длительное время равномерно накапливалась на поверхности в процессе дегазации и вулканизма мантии Земли.

Отметим также, что до сих пор нет четкого ответа и на такой ключевой вопрос: является ли современный объем земной гидросферы относительно постоянным на шкале геологического времени, то есть на протяжении по крайней мере последних нескольких сотен миллионов лет, или в течение этого времени он все-таки периодически менялся?

По мнению многих современных исследователей, именно циклический процесс выделения из недр Земли на ее поверхность свободной воды и ее обратного поглощения земной мантией является основным регулятором общего водного баланса на нашей планете, а возможно, даже источником роста Мирового океана.

И наконец, еще одна загадка, уже непосредственно подводящая нас к упомянутому в начале открытию Вайсешшена и Лоуренса: каковы масштабы водообмена между поверхностью Земли и ее верхними (меньше 200 км) и более глубокими (больше 200 км) мантийными слоями и существует ли он вообще?

Над всеми этими водными тайнами упорно бьются представители самых различных научных дисциплин, однако до достижения хоть какого-либо консенсуса, судя по всему, пока далеко.

Сюрприз из Нью-Мексико

Активная дискуссия относительно того, имеет ли место в геологической истории нашей планеты устойчивый процесс поглощения земной мантией морской воды, или же в мантии существует некий температурный и/или тепловой барьер, блокирующий эту абсорбцию и не позволяющий воде свободно проникать глубоко внутрь Земли, идет в геологическом научном сообществе уже много лет.

Согласно традиционному подходу, два крупнейших водных резервуара на нашей планете — дождевая, речная и океаническая вода на земной поверхности и морская вода, предположительно накапливающаяся внутри мантии с ранних этапов возникновения и эволюции Земли, — геохимически отличаются друг от друга. Это их отличие, по идее, можно выявить при изучении содержащихся в воде различных изотопов водорода: в составе мантийной воды должны присутствовать редкие изотопы, сохранившиеся с протопланетных времен.

Однако провести такой сравнительный изотопный анализ напрямую пока не представляется возможным по причине отсутствия у ученых водных образцов из мантии: выбрасываемые на земную поверхность из многочисленных вулканических источников магматические породы, в которых должны содержаться следы мантийной воды, не могут служить достоверным источником информации ввиду того, что магма слишком быстро загрязняется при контакте с воздухом и морской водой.

Тем не менее в середине прошлого года британские геохимики из Университета Манчестера Крис Баллантайн и Грег Холланд сообщили, что им наконец удалось впервые экспериментально обнаружить присутствие морской воды в глубине Земли. В своем исследовании британцы использовали благородные газы, выходящие на поверхность Земли из коммерческой скважины двуокиси углерода в американском штате Нью-Мексико. Эти газы имеют мантийное происхождение и, по мнению Баллантайна и Холланда, благодаря ряду своих физико-химических характеристик (в частности, тому, что они выбрасываются под большим давлением, что препятствует их загрязнению атмосферным воздухом) вполне поддаются корректному изотопному анализу.

Проведя такой анализ, британские геохимики пришли к выводу, что искомые следы мантийной воды в пробах найдены, и даже умудрились затем косвенным путем подсчитать предполагаемую долевую массу морской воды, содержащейся в мантии Земли. По оценкам Баллантайна и Холланда, на нее приходится около половины от общего количества воды, спрятанной в недрах Земли, тогда как остальные водные запасы имеют более древнее протопланетное происхождение.

Развивая свой дедуктивный метод еще дальше, ученые из Университета Манчестера высказали также предположение, что за время, прошедшее с момента зарождения Земли, ее недрами было поглощено до 10% общей океанической водной массы.

Однако представленные Баллантайном и Холландом вещественные доказательства для большинства их коллег тогда показались недостаточно убедительными. Так, один из критиков назвал статью британцев, опубликованную в июле 2006 года в журнале Nature, провокационной и отметил, что «проблема поглощения земной мантией морской воды слишком сложна и неоднозначна, чтобы попытаться ее разрешить при помощи одного кавалерийского наскока, как это попытались сделать британские геохимики».

Номинально безводные минералы

Конечно, к историческим оценкам Баллантайна и Холланда можно и нужно относиться с известной долей скепсиса, но по крайней мере в одном они точно правы: вода в земных недрах действительно есть, и ее там очень много.

Еще в середине 80−х годов ХХ века одному из крупнейших в мире специалистов в области гидрогеологии американцу Джозефу Смайту, работающему в Университете Колорадо (Боулдер), впервые удалось обнаружить, что в структуре одного из наиболее распространенных минералов земной верхней мантии, вадслеита, присутствуют атомы водорода, то есть эти минералы имеют в своем составе водную (гидроксильную) группу (ОН). Позднее, в 1996 году, Смайту также удалось открыть новую водосодержащую разновидность вадслеита, вадслеит II, который не разлагается даже в глубине мантии.

За последние десять-пятнадцать лет методом инфракрасной спектроскопии было установлено присутствие низких содержаний Н₂О и в ряде других так называемых номинально безводных минералов земной мантии (оливине, пироксене, гранате). Причем, поскольку оливин и его более плотные полиморфы — вадслеит и рингвудит — являются основными минералами мантии, это позволяет рассматривать их в качестве своеобразного гигантского водного резервуара (так, вадслеит может содержать до 3% воды, рингвудит — до 2,8%).

Согласно одной из самых популярных сегодня геофизических моделей мокрой мантии, наиболее значительные запасы воды в недрах Земли, по всей видимости, сконцентрированы в переходной зоне (между верхней и нижней мантией) — на глубинах 400–670 км (на границах этой зоны наблюдаются достаточно резкие скачки скоростей распространения сейсмических волн). По оценке Джозефа Смайта, количество спрятанной в этой зоне воды столь велико, что вполне может по своему общему объему в несколько раз превышать все поверхностные земные водоемы вместе взятые.

Однако, несмотря на множество новых данных, косвенно свидетельствующих о наличии в мантии Земли обильных водных запасов, надеяться на то, что вода там может присутствовать и в свободном состоянии, скорее всего не приходится.

Основное возражение противников существования подземных океанов выглядит очень простым и убедительным: под воздействием высоких глубинных температур вода должна просто-напросто испаряться. Так, по словам руководителя Лаборатории геохимии мантии Земли Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (Геохи РАН) доктора геолого-минералогических наук Арнольда Кадика, «температурный режим высыхания минералов таков, что уже на глубинах более ста километров (от поверхности Земли) должно происходить их полное обезвоживание».

Пожалуй, один из немногих возможных способов прямого сверхглубокого проникновения океанической воды внутрь земной мантии — субдукция (пододвигание одних частей коры под другие) океанской литосферы.

Как известно, в современной теории тектоники литосферных плит постулируется, что земная кора состоит из относительно целостных блоков — плит, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. При этом в зонах расширения морского дна (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в так называемых зонах субдукции. Три ее наиболее распространенные разновидности — погружение океанической коры под континентальную, взаимодействие друг с другом двух океанических плит и столкновение двух континентальных плит, но возможен и обратный процесс (обдукция), при котором происходит надвигание океанической коры на континентальную.

Пекинская аномалия

Последнее открытие, сделанное американцами Майклом Вайсешшеном и Джессом Лоуренсом, по всей видимости, как раз относится к классическому субдукционному сценарию: глубокому погружению мощной тихоокеанической плиты под континентальную азиатскую.

В построенной Вайсешшеном и Лоуренсом на базе анализа 80 тыс. поперечных сейсмических волн трехмерной модели литосферы и мантии Земли ученым удалось обнаружить обширную зону под восточной частью Евразии, названную ими «пекинской аномалией», в которой было зафиксировано резкое затухание скоростей этих волн.

Эта аномалия была отмечена американскими геофизиками на очень большой глубине — в диапазоне 1200–1400 км, то есть в районе нижней мантии. Подобное затухание скоростей, согласно геофизической теории, может объясняться самыми различными причинами, однако, сделав необходимые аналитические выкладки, Вайсешшен и Лоуренс пришли к выводу, что наиболее вероятным объяснением следует считать присутствие в этой зоне обширного водосодержащего слоя минералов, который и демпфировал сейсмические волны.

В беседе с корреспондентом «Эксперта» директор Геохи РАН академик Эрик Галимов отметил: «Вообще говоря, мантийные минералы с ОН-группой обычно весьма неустойчивы при высоких температурах и давлениях. Тем не менее гипотеза Вайсешшена о существовании в мантии на таких глубинах, более тысячи километров, некоего водосодержащего минерального пояса в принципе представляется вполне правдоподобной в том случае, если воде удалось-таки попасть в нижнюю мантию в результате океанической субдукции».

О том же, что в Восточноазиатском регионе подобный процесс (опускание дна океана под континентальную плиту на глубину 1200–1400 км) вполне возможен, неоднократно упоминалось ранее в специальной литературе, хотя до сих пор никаких экспериментальных подтверждений этой гипотезы найдено не было.

По мнению Майкла Вайсешшена, благодаря столь глубокому вгрызанию холодной океанической плиты в нижнюю мантию Земли присутствующие в составе силикатных минералов этой плиты водные включения вполне могли выдержать экстремальные давления и частично сохраниться в стабильном состоянии в виде особой сверхплотной водосодержащей фазы. Ободренный этим объяснением пекинского феномена, Вайсешшен не отказал себе и в удовольствии сделать очередной прогноз предполагаемого суммарного объема воды в нижней мантии: по его мнению, он может составлять от одного до пяти нынешних объемов всех земных океанов.