Войти
Глубоководный цикл, или геологический круговорот воды, включает обмен воды с мантией, при этом вода уносится вниз, погружая океанические плиты и возвращаясь в результате вулканической активности, в отличие от воды. цикл процесс, происходящий над и на поверхности Земли. Некоторая часть воды достигает нижней мантии и может даже достигать внешнего ядра. Эксперименты по физике минералов показывают, что водные минералы могут уносить воду глубоко в мантию в более холодных пластах, и даже «номинально безводные минералы» могут хранить воду в количестве, равном нескольким океанам.
В традиционном представлении о круговороте воды (также известном как гидрологический цикл) вода перемещается между резервуарами в атмосфера и поверхность или приповерхностное пространство Земли (включая океан, реки и озера, ледники и полярные ледяные шапки, биосфера и подземные воды ). Однако, помимо поверхностного цикла, вода также играет важную роль в геологических процессах, проникая в кору и мантию. Содержание воды в магме определяет, насколько взрывоопасным является извержение вулкана; горячая вода является основным каналом для концентрирования экономически важных минералов в месторождениях гидротермальных минералов ; и вода играет важную роль в образовании и миграции нефти.
Схема границ тектонических плит. В тексте обсуждается субдукционная плита (5); островная дуга (15), перекрывающая мантийный клин; срединно-океанический хребет (12); и горячая точка (3). Вода присутствует не просто как отдельная фаза в земле. Морская вода просачивается в океаническую кору и гидратирует магматические породы, такие как оливин и пироксен, превращая их в водные минералы, такие как серпентины, тальк и брусит. В этой форме вода уносится в мантию. В верхней мантии тепло и давление обезвоживают эти минералы, высвобождая большую их часть в вышележащий мантийный клин, вызывая плавление породы, которая поднимается с образованием вулканических дуг. Однако некоторые из «номинально безводных минералов», которые стабильны глубже в мантии, могут накапливать небольшие концентрации воды в форме гидроксила (OH), и, поскольку они занимают большие объемы Земли, они являются
Традиционное представление о происхождении океана состоит в том, что он был заполнен газами из мантии в начале архея, а мантия осталась обезвоженный с тех пор. Однако субдукция уносит воду со скоростью, которая опустошит океан за 1-2 миллиарда лет. Несмотря на это, изменения глобального уровня моря за последние 3–4 миллиарда лет составили всего несколько сотен метров, что намного меньше средней глубины океана в 4 километра. Таким образом, ожидается, что потоки воды в мантию и из мантии будут примерно сбалансированы, а содержание воды в мантии будет постоянным. Вода, переносимая в мантию, в конечном итоге возвращается на поверхность в результате извержений на срединно-океанических хребтах и горячих точках. Эта циркуляция воды в мантии и обратно известна как глубинный водный цикл или геологический водный цикл.
Оценки количества воды в мантии варьируются от ⁄ 4 до 4 раз больше воды в океане. В море 1,37 × 10 м воды, следовательно, можно предположить, что в мантии содержится от 3,4 × 10 до 5,5 × 10 м воды. Ограничения на воду в мантии связаны с минералогией мантии, образцами горных пород из мантии и геофизическими исследованиями.
Зависимость температуры от глубины в верхних 500 километрах Земли (черная кривая). Верхнюю границу количества воды в мантии можно получить, учитывая количество воды, которое могут переноситься его минералами (их вместимостью). Это зависит от температуры и давления. В литосфере существует крутой температурный градиент, где тепло передается за счет теплопроводности, но в мантии порода перемешивается конвекцией, и температура увеличивается медленнее (см. Рисунок). Нисходящие плиты имеют температуру ниже средней.
Фазовые превращения оливина, движущегося через верхнюю мантию, переходную зону и нижнюю мантию. В ядре вода может храниться в виде водорода, связанного с железом. Мантию можно разделить на верхнюю мантию (на глубине более 410 км), переходную зону (между 410 км и 660 км), и нижняя мантия (ниже 660 км). Большая часть мантии состоит из оливина и его полиморфов под высоким давлением . В верхней части переходной зоны он претерпевает фазовый переход в вадслеит, а на глубине около 520 км вадслеит превращается в рингвудит, который имеет структура шпинели. В верхней части нижней мантии рингвудит разлагается на бриджманит и ферропериклаз.
. Самый распространенный минерал в верхней мантии - оливин. Для глубины 410 км ранняя оценка 0,13 процентного содержания воды по весу (вес.%) Была пересмотрена в сторону увеличения до 0,4 вес.%, А затем до 1 вес.%. Однако к верху мантии несущая способность резко снижается. Другой распространенный минерал, пироксен, также имеет оценочную емкость 1 мас.% Около 410 км.
В переходной зоне вода переносится вадслеитом и рингвудитом; в относительно холодных условиях нисходящей плиты они могут унести до 3 мас.%, в то время как при более высоких температурах окружающей мантии их емкость составляет около 0,5 мас.%. Переходная зона также состоит по меньшей мере из 40% мажорита, фазы высокого давления из граната ; его емкость составляет всего 0,1 мас.% или меньше.
Вместимость нижней мантии является предметом разногласий, причем оценки варьируются от эквивалента 3 раз до менее 3% океана. Эксперименты были ограничены давлениями, обнаруженными в верхних 100 км мантии, и их сложно выполнить. Результаты могут быть смещены вверх из-за включения водных минералов и вниз из-за неспособности поддерживать флюидонасыщение.
При высоких давлениях вода может взаимодействовать с чистым железом, чтобы получить FeH и FeO. Модели внешнего ядра предсказывают, что оно могло удерживать в этой форме до 100 океанов воды, и эта реакция могла высушить нижнюю мантию в ранней истории Земли.
Пропускная способность мантии - это только верхняя граница, и нет веских причин предполагать, что мантия насыщена. Дополнительные ограничения на количество и распределение воды в мантии вытекают из геохимического анализа изверженных базальтов и ксенолитов из мантии.
Базальты, сформированные на срединно-океанических хребтах и горячих точках, берут начало в мантии и используются для получения информации о составе мантии. Магма, поднимающаяся на поверхность, может подвергаться фракционной кристаллизации, при которой сначала осаждаются компоненты с более высокими температурами плавления, и образующиеся расплавы могут иметь сильно различающееся содержание воды; но когда произошло небольшое разделение, содержание воды составляет примерно 0,07–0,6 мас.%. (Для сравнения, базальты в задуговых бассейнах вокруг вулканических дуг имеют от 1 до 2,9 вес.% Из-за воды, стекающей с погружающейся плиты.)
Базальты срединно-океанических хребтов (MORB) обычно классифицируются по содержанию микроэлементов, которые несовместимы с минералами, в которых они обитают. Они делятся на «нормальные» MORB или N-MORB с относительно низким содержанием этих элементов и обогащенные E-MORB. Обогащение воды хорошо коррелирует с обогащением этих элементов. В N-MORB предполагается, что содержание воды в мантии источника составляет 0,08–0,18 мас.%, В то время как в E-MORB оно составляет 0,2–0,95 мас.%.
Другая распространенная классификация, основанная на анализе MORB. и базальты океанических островов (OIBs) из горячих точек, определяет пять компонентов. Базальт фокальной зоны (ФОЗО) считается наиболее близким к исходному составу мантии. Считается, что два обогащенных конечных члена (EM-1 и EM-2) являются результатом рециркуляции океанических отложений и OIB. H1MU означает «высокий µ», где µ - это соотношение изотопов урана и свинца (µ = U / Pb). Пятый компонент - истощенный MORB (DMM). Поскольку поведение воды очень похоже на поведение элемента цезий, отношения воды к цезию часто используются для оценки концентрации воды в регионах, которые являются источниками компонентов. Многочисленные исследования показывают, что содержание воды в FOZO составляет около 0,075 мас.%, И большая часть этой воды, вероятно, является «ювенильной» водой, полученной во время аккреции Земли. DMM содержит только 60 ppm воды. Если эти источники отбирают все области мантии, общее количество воды зависит от их доли; с учетом неопределенностей, оценки варьируются от 0,2 до 2,3 океана.
Алмаз из Джуины, Бразилия, с включениями рингвудита, предполагает присутствие воды в переходной зоне. Образцы минералов из переходной зоны и ниже мантия происходит из включений, найденных в алмазах. Исследователи недавно обнаружили в переходной зоне алмазные включения льда-VII. Ice-VII - это вода под высоким давлением. Присутствие алмазов, образовавшихся в переходной зоне и содержащих включения льда-VII, предполагает, что вода присутствует в переходной зоне и в верхней части нижней мантии. Из тринадцати обнаруженных экземпляров льда VII восемь имеют давление около 8–12 ГПа, прослеживая образование включений до 400–550 км. Два включения имеют давления от 24 до 25 ГПа, что указывает на образование включений на глубине 610–800 км. Давление включений льда VII свидетельствует о том, что вода должна была присутствовать в то время, когда алмазы образовывались в переходной зоне, чтобы оказаться в ловушке в виде включений. Исследователи также предполагают, что диапазон давлений, при которых образовывались включения, предполагает, что включения существовали в виде жидкостей, а не твердых тел.
Другой алмаз был обнаружен с включениями рингвудита. Используя методы, включая инфракрасную спектроскопию, рамановскую спектроскопию и дифракцию рентгеновских лучей, ученые обнаружили, что содержание воды в рингвудите составляло 1,4 мас.%, И сделали вывод, что Объемное содержание воды в мантии составляет около 1 мас.%.
И внезапное снижение сейсмической активности, и электропроводность указывают на то, что переходная зона способна производят гидратированный рингвудит. Сейсмический эксперимент USArray - это долгосрочный проект с использованием сейсмометров для картирования мантии, лежащей в основе Соединенных Штатов. Используя данные этого проекта, сейсмометрические измерения показывают соответствующие признаки расплава на дне переходной зоны. Расплав в переходной зоне можно визуализировать с помощью измерений скорости сейсмических волн, поскольку скорость резкого уменьшения скорости в нижней мантии, вызванная субдукцией плит через переходную зону. Измеренное уменьшение сейсмических скоростей точно коррелирует с прогнозируемым присутствием 1 мас.% Расплава H 2O.
Зоны сверхнизких скоростей (ULVZ) были обнаружены прямо над границей ядро-мантия (CMB). Эксперименты, подчеркивающие присутствие пероксида железа, содержащего водород (FeO 2Hx), совпадают с ожиданиями ULVZ. Исследователи полагают, что железо и вода могут реагировать с образованием FeO 2Hxв этих ULVZ на CMB. Эта реакция была бы возможна при взаимодействии субдукции минералов, содержащих воду, и обширных запасов железа во внешнем ядре Земли. Предыдущие исследования предполагали наличие частичного плавления в ULVZs, но образование расплава в области, окружающей CMB, остается спорным.
Когда океаническая плита спускается в верхнюю мантию, ее минералы имеют тенденцию терять воду. Сколько воды теряется и когда зависит от давления, температуры и минералогии. Вода переносится различными минералами, которые сочетают в себе различные пропорции оксида магния (MgO), диоксида кремния (SiO 2) и воды. При низких давлениях (ниже 5 ГПа) они включают антигорит, форму серпентина, и клинохлор (оба содержат 13 мас.% Воды); тальк (4,8 мас.%) И некоторые другие минералы с меньшей емкостью. При умеренном давлении (5–7 ГПа) минералы включают флогопит (4,8 мас.%), Фазу 10Å (продукт высокого давления талька и воды, 10–13 мас.%) И лавсонит (11,5 мас.%). При давлениях выше 7 ГПа присутствует топаз-OH (Al 2 SiO 4 (OH) 2, 10 мас.%), Фаза Egg (AlSiO 3 (OH), 11-18 мас.%) И совокупность плотных водосиликатных магниевых (DHMS) или «алфавитных» фаз, таких как фаза A (12 мас.%), D (10 мас.%) И E ( 11 мас.%).
Судьба воды зависит от того, могут ли эти фазы поддерживать непрерывную последовательность при спуске плиты. На глубине около 180 км, где давление составляет около 6 гигапаскалей (ГПа) и температура около 600 ° C, существует возможная «точка запирания», где области стабильности только встречаются. Более горячие плиты будут терять всю воду, в то время как более холодные плиты передают воду фазам DHMS. В более холодных плитах часть выделяющейся воды также может быть стабильной в виде льда VII.
