Глубинный круговорот воды: как зоны субдукции формируют подземные океаны?
В глубинах нашей планеты, под знакомой нам земной корой, скрываются настоящие подземные океаны — колоссальные резервуары воды, заключенные в горных породах. Образование этих резервуаров напрямую связано с зонами субдукции — местами, где старая, насыщенная водой океаническая плита погружается под континентальную, словно гигантский конвейер, уносящий с собой фрагменты океанского дна в раскаленную мантию Земли.
Этот процесс, называемый субдукцией, запускает сложную цепочку геологических событий. Погружающаяся плита нагревается, и вода, связанная в ее минералах, высвобождается. Высвобожденная вода, в свою очередь, охлаждает окружающую мантию, влияя на ее температуру и свойства.
Важно отметить, что процесс субдукции не статичен, он проходит через несколько фаз, которые ученые условно называют «жизненным циклом» зоны субдукции. Каждая фаза характеризуется своими особенностями: скоростью погружения плиты, температурой в зоне субдукции, глубиной, на которой высвобождается вода, и, как следствие, масштабами формирования водных резервуаров в мантии.
В начальной фазе субдукции плита движется медленно, температура в зоне контакта плит высокая. Вода, высвобождаясь из погружающихся пород, не задерживается в мантии, поскольку та еще слишком горяча. В этот период вблизи зон субдукции нередко наблюдается вулканическая активность специфического типа — извергаются бониниты, магматические породы, свидетельствующие о плавлении мантии при высоких температурах.
Следующая фаза — промежуточная — отличается высокой скоростью погружения плиты. Океаническая кора стремительно уходит вглубь мантии, в результате чего ее внутренняя часть охлаждается, а внешние слои, наоборот, быстро нагреваются. В мантии над плитой в это время происходят обратные процессы: она постепенно остывает, создавая условия для накопления воды. Эта фаза характеризуется максимальным объемом воды, поступающей в мантию.
По мере остывания мантии в ней формируется слой, насыщенный особыми минералами — серпентинитами. Серпентиниты — это результат взаимодействия оливина, главного минерала мантии, с водой. Они обладают уникальной способностью удерживать большие объемы воды, действуя как губка, впитывающая воду из погружающейся плиты.
Заключительная фаза, «зрелая субдукция», наступает, когда передний край плиты достигает границы верхней и нижней мантии. На этой глубине мантия обладает значительно большей плотностью и вязкостью, что замедляет движение плиты. В результате вода высвобождается на глубине, где условия для ее удержания мантией неблагоприятны.
Используя современные компьютерные модели, ученые смогли воссоздать динамику зон субдукции и оценить количество воды, накопленной в мантии. Результаты моделирования поражают воображение: по оценкам ученых, в мантии Земли может содержаться до 3.4-5.9 x 1021 грамм воды. Это сопоставимо с 0.4% массы всех океанов на поверхности нашей планеты!
Важно понимать, что формирование водных резервуаров в мантии оказывает влияние не только на химический состав, но и на физические свойства земных недр. Серпентиниты, насыщенные водой, обладают значительно меньшей прочностью, чем окружающие породы. Этот фактор, в свою очередь, влияет на распространение сейсмических волн, генерируемых землетрясениями. Наличие серпентинитов может ограничивать глубину сильных землетрясений, предотвращая их возникновение на больших глубинах.
Кроме того, вода, высвобождающаяся из погружающейся плиты, играет важную роль в формировании магмы. Поднимаясь к поверхности, магма питает вулканы, обеспечивая их активность. Таким образом, субдукция и связанные с ней процессы непосредственно влияют на вулканизм в зонах столкновения плит.
Наконец, наличие гидратированного слоя в мантии может влиять на движение самих тектонических плит. Серпентиниты выступают в роли своеобразной «смазки», уменьшая трение между плитами. Это, в свою очередь, может влиять на скорость их движения и общую геодинамику планеты.
Исследование зон субдукции и скрытых океанов в мантии — задача невероятно сложная. Она требует совместных усилий ученых разных специальностей: геофизиков, геохимиков, тектонистов. Используя современные методы моделирования, анализируя данные геофизических наблюдений и изучая древние горные породы, ученые постепенно приоткрывают завесу тайны над этим удивительным миром, скрытым от наших глаз. И с каждым новым открытием мы все лучше понимаем, насколько важную роль играет вода в жизни нашей планеты.