Южнокорейские исследователи с помощью синхротронного излучения выявили, что способность холодных субдуцирующих плит «запасать воду» была недооценена

Исследовательская группа под руководством профессора Ли Ён Джэ (Yongjae Lee) с факультета наук о системе Земля Университета Ёнсе (Южная Корея) недавно обнаружила, что в холодных, быстро погружающихся тектонических зонах субдукции горные породы земной коры могут ежегодно переносить в мантию до 1 триллиона килограммов воды, что примерно вдвое превышает предыдущие оценки. Результаты опубликованы в журнале Nature·Communications.

Зоны субдукции — это области, где сходятся литосферные плиты Земли и одна плита погружается под другую, часто сопровождающиеся вулканической и сейсмической активностью. Долгое время в научном сообществе преобладало мнение, что водосодержащая порода серпентинит по мере погружения плиты постепенно дегидратируется из-за повышения давления и температуры, а высвобождающаяся вода способствует плавлению вышележащей плиты и связана с формированием цепочек островных дуг.

Новое исследование показывает, что ситуация может быть более сложной. Начиная с 2019 года исследовательская группа провела ряд экспериментов при высоком давлении и высокой температуре, используя синхротронный источник PETRA III в DESY (Германия), Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории (США) и Пхоханскую ускорительную лабораторию (Южная Корея) для наблюдения за структурными изменениями минералов серпентина в условиях глубоких недр. В частности, на экспериментальных станциях P02.2 и P61B источника PETRA III группа провела эксперименты по рентгеновской дифракции при высоком давлении и температуре, а также измерения скорости ультразвука для анализа стабильности серпентина и соответствующих сейсмических свойств.

Результаты экспериментов показали, что в более тёплых краевых зонах погружающейся плиты вода действительно высвобождается на глубине около 220 километров, что увеличивает плотность пород примерно на 16% и влияет на распространение сейсмических волн. Однако в более холодной среде центральной части плиты на глубине около 280 километров происходит реакция, которая ранее предполагалась, но ещё не была непосредственно зафиксирована экспериментально. В водонасыщенной среде новая структура может дополнительно поглощать воду в количестве до 6% от собственного веса; в среде с меньшим содержанием воды другая структура продолжает сохранять исходную воду.

На основании этого исследовательская группа пришла к выводу, что водоудерживающая способность серпентинитов в холодных субдуцирующих плитах примерно в три раза выше, чем считалось ранее. По мере изгиба и образования разломов в земной коре при погружении дополнительная вода может проникать в зону субдукции по этим каналам, вызывая различные реакции поглощения или удержания воды в зависимости от давления, температуры и содержания воды.

В глобальном масштабе исследователи дополнительно проанализировали с помощью моделей 16 холодных или сверххолодных зон субдукции из 56, оценив, что эти регионы могут ежегодно переносить в мантию до 1 триллиона килограммов воды. Исследовательская группа отмечает, что это открытие означает, что холодные субдуцирующие плиты могут действовать как «гигантская губка», сохраняя и транспортируя значительные объёмы воды в более глубокие слои Земли; существующие модели круговорота воды в плитах, эволюции недр Земли, а также интерпретации сейсмических и вулканических данных могут потребовать пересмотра.