Горячая мантия ранней Земли, возможно, привела к архейскому «водному миру»

Согласно новым исследованиям, огромный глобальный океан, возможно, покрывал раннюю Землю в течение раннего архейского эона (архей), от 4 до 3,2 миллиарда лет назад, что является побочным эффектом наличия более горячей мантии, чем сегодня.

Новые результаты бросают вызов более ранним предположениям о том, что размер глобального океана Земли оставался постоянным в течение долгого времени, и дают ключ к пониманию того, как его размер мог изменяться в течение геологического времени, считают авторы исследования.

Большая часть поверхностных вод Земли находится в океанах. Но есть и второй резервуар воды глубоко в недрах Земли, в виде водорода и кислорода, присоединенных к минералам в мантии.

Новое исследование оценивает, сколько воды потенциально может содержать мантия сегодня и сколько воды она могла бы хранить в прошлом.

Полученные результаты показывают, что, поскольку ранняя Земля была более горячей, чем сегодня, ее мантия, возможно, содержала меньше воды, потому что минералы мантии удерживают меньше воды при более высоких температурах. Предполагая, что мантия в настоящее время имеет более чем 0,3-0,8 массы океана, более крупный поверхностный океан мог существовать в раннем архее. В то время температура мантии была около 1900-3000 градусов Кельвина, по сравнению с 1600-2600 градусами Кельвина сегодня.

Если бы ранняя Земля имела больший океан, чем сегодня, это могло бы изменить состав ранней атмосферы и уменьшить количество солнечного света, отраженного обратно в космос, считают авторы. Эти факторы повлияли бы на климат и среду обитания, которая поддерживала первую жизнь на Земле.

«Иногда легко забыть, что глубинные недра планеты на самом деле важны для того, что происходит с поверхностью», — сказала Ребекка Фишер, физик-минералог из Гарвардского университета и соавтор нового исследования. «Если мантия может удерживать только определенное количество воды, она должна идти куда-то еще, поэтому то, что происходит в тысячах километров под поверхностью, может иметь довольно большие последствия.»

Уровень моря на Земле оставался довольно постоянным в течение последних 541 миллиона лет. Однако оценить уровень моря в более ранние периоды земной истории сложнее, поскольку от архейского эона сохранилось мало свидетельств. В течение геологического времени вода может перемещаться из поверхностного океана вглубь через тектонику плит, но размер этого потока воды не очень хорошо изучен. Из-за этого недостатка информации ученые предполагали, что размер мирового океана остается постоянным в течение геологического времени.

В новом исследовании ученые разработали модель для оценки общего количества воды, которое потенциально может храниться в мантии Земли, исходя из ее температуры. Они включилю существующие данные о том, сколько воды могут хранить различные минералы мантии, и рассмотрели, какие из минералов могли бы появиться на разных глубинах и в разное время в прошлом Земли. Затем исследователи связали эти оценки хранения с объемом поверхностного океана по мере охлаждения Земли.

Это первый случай, когда ученые связали данные физики минералов о хранении воды в мантии с размером океана. Эта связь никогда не поднималась в прошлом.

Новые открытия проливают свет на то, как глобальный океан мог изменяться с течением времени, и могут помочь ученым лучше понять водные циклы на Земле и других планетах, что может быть ценным для понимания того, где может развиваться жизнь.

-Сегодня Марс выглядит очень холодным и сухим, — говорят исследователи. «Но многие геохимические и геоморфологические данные свидетельствуют о том, что ранний Марс мог содержать некоторое количество воды на поверхности — и даже океан, поэтому существует большой интерес к пониманию круговорота воды на Марсе.»

Junjie Dong et al, Constraining the Volume of Earth’s Early Oceans With a Temperature‐Dependent Mantle Water Storage Capacity Model, AGU Advances (2021). DOI: 10.1029/2020AV000323