Когда Земля была пылающим адом: как вода выжила в самом центре планеты, прячась от внешнего мира

Вода на ранней Земле сохранилась внутри мантии — Science

Ранняя Земля была далека от образа спокойной голубой планеты с океанами и атмосферой. Миллиарды лет назад её поверхность представляла собой раскалённый магматический океан, где существование жидкой воды казалось невозможным. Тем не менее сегодня вода покрывает большую часть поверхности планеты, и учёные наконец приблизились к пониманию того, как она смогла сохраниться. Об этом сообщается в журнале Science.

Когда Земля была океаном магмы

Около 4,6 миллиарда лет назад формирующаяся Земля переживала период интенсивных космических бомбардировок. Удары астероидов и планетезималей поддерживали поверхность и недра в расплавленном состоянии. Температуры были настолько высокими, что любые попытки воды существовать в жидком виде обрекались на провал.

Долгое время считалось, что в таких условиях вода либо испарялась, либо полностью терялась в космосе. Этот парадокс — как планета, прошедшая через фазу глобального магматического океана, смогла сохранить воду, — оставался одной из ключевых загадок планетологии и геохимии.

Современные океаны покрывают около 70% поверхности Земли, и их происхождение напрямую связано с ранними этапами эволюции планеты. Новые данные показывают, что вода могла не исчезнуть, а "спрятаться" там, куда долгое время учёные просто не могли заглянуть, — в глубинах мантии.

Минерал, который стал тайным резервуаром

Ключевую роль в этом процессе сыграл бриджманит — самый распространённый минерал в земной мантии. Он формируется на глубинах более 660 километров и составляет основу нижней мантии. Ранее его считали почти неспособным удерживать воду, что поддерживало представление о "сухой" нижней мантии.

Однако новое исследование китайских геохимиков показало, что это представление было неполным. В процессе кристаллизации магматического океана бриджманит оказался способен эффективно захватывать и удерживать воду в своей кристаллической структуре. Фактически он работает как микроскопический водный аккумулятор, запирающий молекулы воды внутри минерала.

Это открытие радикально меняет взгляд на раннюю эволюцию Земли. Если вода была связана в минералах мантии, она могла пережить экстремальный нагрев и сохраниться до тех времён, когда планета начала остывать и затвердевать.

Экстремальные эксперименты в лаборатории

Проблема изучения бриджманита заключалась в невозможности воспроизвести условия нижней мантии. Давление и температура на таких глубинах колоссальны, и до недавнего времени эксперименты просто не позволяли работать в этом диапазоне.

Ситуацию изменила новая экспериментальная установка, созданная в Гуанчжоуском институте геохимии Китайской академии наук. Учёные использовали алмазные наковальни в сочетании с лазерным нагревом и высокотемпературной визуализацией. Это позволило поднять температуру до примерно 4100 °C и создать давление, соответствующее глубинам нижней мантии.

Для анализа содержания воды применялись передовые методы: криогенная трёхмерная электронная дифракция, NanoSIMS и атомно-зондовая томография. Эти технологии дали возможность исследовать распределение воды на микро- и наноуровне, фактически превратив кристаллы бриджманита в объект "химической томографии". Результаты подтвердили, что вода действительно структурно растворяется в минерале.

Почему высокая температура изменила всё

Одним из самых неожиданных выводов стало обнаружение температурного эффекта. Оказалось, что способность бриджманита удерживать воду возрастает с повышением температуры. Чем горячее условия кристаллизации, тем больше воды минерал способен захватить.

Это имеет фундаментальное значение. В ранний период существования Земли магматический океан был максимально горячим, а значит, формирующийся бриджманит мог аккумулировать значительно больше воды, чем предполагали предыдущие модели. Таким образом, нижняя мантия вовсе не была "сухой" — напротив, она могла стать главным хранилищем воды планеты.

Новые оценки водных запасов недр

Используя полученные экспериментальные данные, исследователи смоделировали процесс затвердевания магматического океана. Расчёты показали, что после его кристаллизации нижняя мантия могла удерживать воды в 5-100 раз больше, чем считалось ранее.

В абсолютных величинах объём воды, запертой в ранней твёрдой мантии, мог составлять от 0,08 до 1 объёма современного Мирового океана. Это означает, что значительная часть воды Земли изначально находилась не на поверхности, а глубоко внутри планеты.

Вода как двигатель геологической эволюции

Запасённая в мантии вода не оставалась пассивной. Она существенно снижала температуру плавления и вязкость пород, облегчая внутреннюю циркуляцию вещества. Это создало условия для развития тектоники плит — одного из ключевых механизмов, обеспечивающих долгосрочную геологическую активность Земли.

Со временем вода постепенно возвращалась на поверхность через вулканизм. Газо- и водоотделение из недр способствовало формированию первичной атмосферы и океанов. Именно этот медленный "выход" воды мог обеспечить стабильное существование жидких океанов, а не их мгновенное испарение.

Почему это важно для понимания обитаемых миров

Новое исследование имеет значение не только для истории Земли. Оно даёт подсказку о том, как вода может сохраняться на других каменистых планетах, проходящих стадию магматического океана. Если минералы мантии способны эффективно удерживать воду, то потенциально обитаемые миры могут формироваться даже в экстремальных условиях.

Запечатанная в ранней структуре Земли вода, вероятно, стала решающим фактором, превратившим планету из огненного пекла в устойчивый, обитаемый мир. Это открытие связывает глубинную геохимию с вопросами происхождения жизни и делает мантию не менее важной, чем океаны, в истории нашей планеты.

Сравнение: прежние и новые представления о мантии

Ранее нижнюю мантию считали почти полностью сухой. Новые данные показывают обратное:

В старых моделях вода концентрировалась в коре и верхней мантии.
Новые расчёты указывают на гигантские запасы в нижней мантии.
Роль воды в тектонике плит ранее недооценивалась.
Теперь вода рассматривается как ключевой фактор устойчивости планеты.

Плюсы и минусы новой гипотезы

Преимущества подхода:
• Экспериментально подтверждённые данные при экстремальных условиях.
• Новое объяснение сохранения воды на Земле.
• Связь геохимии с эволюцией климата и жизни.

Ограничения:
• Модели основаны на лабораторных экспериментах.
• Реальные процессы в недрах могут быть сложнее.
• Требуются дополнительные исследования других минералов.