Изучая скорость охлаждения горных пород, образовавшихся на глубине более 10 миль под поверхностью Земли, ученые во главе с Школой наук о Земле Техасского университета в Остине Джексоне обнаружили, что вода, вероятно, проникает глубоко в земную кору и верхнюю мантию на глубине срединно-океанические спрединговые зоны, места образования новой коры. Открытие добавляет доказательство одной стороне давних дебатов о том, как магма из мантии Земли охлаждается, чтобы сформировать нижние слои земной коры.
Исследование проводилось под руководством Ника Дайгерта, научного сотрудника факультета геологических наук Школы Джексона, и было опубликовано в мае в печатном издании Earth and Planetary Science Letters. Среди сотрудников - Питер Келемен из Колумбийского университета и Ян Лян из Университета Брауна.
Мантия Земли представляет собой полутвердый слой, отделяющий кору планеты от ядра. Дайгерт сказал, что, хотя хорошо известно, что магма, поднимающаяся из мантии в срединно-океанических зонах спрединга, создает новую кору, есть много вопросов о том, как работает этот процесс.
«В научном сообществе ведутся споры о том, как формируется океаническая кора», - сказал Дайгерт. «И у разных моделей очень разные требования к режимам охлаждения».
Чтобы узнать больше об условиях, при которых магма превращается в породу земной коры, Дайгерт и его сотрудники исследовали образцы горных пород, которые сто миллионов лет назад были частью мантии Земли, а сейчас являются частью каньона в Омане.
«В недрах Земли можно эффективно пройти 20 километров», - сказал Келемен. «Это позволяет ученым получить доступ к породам, которые образовались глубоко под морским дном и недоступны для изучения».
Команда использовала «геотермометры» - название метода, который использует минеральные составы внутри образцов породы для расчета температуры и выявления истории охлаждения породы. Геотермометры помогают ученым определять температуры, испытываемые магмами и горными породами при их охлаждении, и делать выводы о том, насколько быстро произошло охлаждение. Исследование включало использование нового геотермометра, разработанного Ляном, который регистрирует максимальную температуру, которую достигает горная порода до того, как она остынет.
«Традиционные геотермометры обычно показывают температуру охлаждения, а не температуру пласта породы», - сказал Дайгерт. «Этот термометр - отличный новый инструмент, потому что он позволяет нам взглянуть на часть истории охлаждения, которая ранее была недоступна для магматических пород».
Температуры, зарегистрированные в горных породах, показывают, что нижняя кора и самые верхние слои мантии охлаждались и затвердевали почти мгновенно, сказал Дайгерт, как «горячая сковорода, шлепнувшаяся в раковину с водой», в то время как более глубокие слои мантии охлаждались более постепенно.. Изменение температуры указывает на то, что вода циркулирует через кору и самые верхние слои мантии под срединно-океаническими спрединговыми центрами, а тепло из более глубоких частей мантии рассеивается через контакт с более холодными верхними породами.
В настоящее время существуют две основные теории образования корки. В гипотезе Шитед Силл циркулирующая морская вода охлаждает множество небольших залежей магмы на разных глубинах в нижней части коры, что одновременно охлаждает верхнюю мантию. Согласно гипотезе ледника Габбро, магма постепенно теряет тепло по мере того, как она вытекает из центрального магматического очага.
Дайгерт сказал, что температуры, зарегистрированные геотермометрами, совпадают с процессом охлаждения на подоконнике.
«Модель Sheeted Sill требует очень эффективного механизма охлаждения, потому что кристаллизация происходит на всех разных глубинах земной коры одновременно», - сказал Дайгерт. «И то, что мы смогли найти, убедительно свидетельствует о том, что гидротермальная циркуляция была очень эффективной во всем разрезе земной коры."
Раскрытие того, как формируется земная кора, лежит в основе понимания геологической истории нашей планеты, сказал Дайгерт, но результаты также могут иметь значение для будущего нашей планеты. Некоторые ученые предложили смешивать углекислый газ (CO2) с водой и вводить его в мантийную породу в качестве средства борьбы с изменением климата. CO2 реагирует с минералами в мантии, что надежно блокирует углерод в их кристаллических структурах. Однако Дайгерт отмечает, что мантийные породы, которые уже подверглись воздействию морской воды, могут не так легко реагировать с CO2, что замедлит процесс улавливания углерода. Дайгерт сказал, что новые результаты показывают, что циркуляция воды под срединно-океаническими хребтами фактически ограничена секцией земной коры, и что огромные участки мантии могут быть доступны под океанической корой для эффективного улавливания CO2
Исследование было поддержано Школой наук о Земле Джексона, Национальным научным фондом, Фондом Альфреда П. Слоана и грантом Международной континентальной программы бурения.