Вода в мантии: скрытый океан под ногами экспресс
Глубоко под нами, на глубине сотен километров, есть слой, который умеет впитывать воду, как губка. Минералы там — вадслеит и рингвудит — могут удерживать внутри своей кристаллической решётки до 1–2% воды по весу. Это значит, что в переходной зоне мантии (между 410 и 660 км) потенциально спрятано больше воды, чем во всех океанах на поверхности. Но наполнена ли эта губка на самом деле?
Авторы нового исследования построили компьютерную модель, чтобы проследить судьбу воды в этом слое. Они соединили физику твёрдой мантии, химию минералов и тепловые потоки. Модель показала: вода, попавшая в переходную зону, не лежит там мёртвым грузом. Она делает породу легче, и та начинает всплывать — медленно, со скоростью сантиметров в год, но неумолимо. Через десятки миллионов лет такой «мокрый» апвеллинг достигает границы, где вадслеит превращается в оливин, и вот тут вода высвобождается.
Выделившаяся вода снижает температуру плавления породы, и возникают капли расплава. Они легче окружающей мантии, поэтому продолжают подниматься вверх — уже быстрее, просачиваясь сквозь твёрдые зёрна или всплывая отдельными «пузырями». Похожий процесс идёт и у нижней границы переходной зоны: туда сверху опускаются холодные слэбы (погружающиеся океанические плиты), которые тоже несут воду. На глубине около 660 км они нагреваются, вода выходит, и лёгкие расплавы стартуют обратно наверх.
Так переходная зона оказывается не складом, а перевалочным пунктом. Вода задерживается там на время от 80 до 430 миллионов лет, и в каждый момент её там немного — меньше 0,1% по весу, то есть меньше пятой части массы современного океана. Но этого хватает, чтобы регулировать уровень воды на поверхности. Если океан мелеет, мантия отдаёт немного влаги через вулканы; если воды становится слишком много, часть уходит вглубь с плитами. Такая система термостата, возможно, работает и на других каменистых планетах, помогая им сохранять океаны миллиарды лет.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2602.13820
The spinel phase (wadsleyite, ringwoodite) in the mantle transition zone (MTZ), can contain up to 1-2 weight percent of water. However, whether these water reservoirs in the MTZ are filled is debated. Here, we investigate water dynamics in the MTZ numerically by using a newly developed empirical model of deep hydrous mantle melting combined with 2D thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) upper mantle models. Numerical modeling results suggest that water-induced buoyancy triggers the development of hydrous solid-state mantle upwellings in the MTZ. On time scales of some tens of millions of years, they rise to and interact with the spinel-olivine phase transition. Depending on the water content and temperature of these thermal-chemical plumes, this crossing may trigger hydrous melting by water release from the wadsleyite upon its conversion to olivine. The melts are less dense than the solid matrix and continue rising upward in the form of either diapirs or porosity waives. Similar dehydration-induced melting process3 is also documented for the lower MTZ boundary, where hydrous downwellings (such as subducted slabs) generate buoyant melt diapirs rising through the MTZ. We therefore suggest that the MTZ operates as a transient water reservoir. Relatively small amounts of water (less than 0.1 weight percent, smaller than 0.2 ocean masses) and a geologically moderate duration (80-430 Myr) of the transient water storage should be characteristic for the MTZ, which may play a key role in stabilizing the surface ocean mass on Earth and Earth-like rocky exoplanets.
Переходная зона мантии содержит минералы, которые при давлении в 130 000 атмосфер (как вес 1300 слонов на квадратный сантиметр) перестраивают кристаллическую решётку и могут вобрать воду внутрь — в количестве, сравнимым с объёмом нескольких океанов.
В романе Жюля Верна «Путешествие к центру Земли» герои находят подземный океан — наша модель показывает, что вода действительно может скрываться в мантии, только не в виде моря, а внутри кристаллов.