Лёд в мантии Земли

И «лёд-девять» существовал на нашей Земле.
Курт Воннегут, «Колыбель для кошки» (1963)

Все знают, что вода при определенной температуре превращается в лёд. Любители фантастики помнят также, что доктор Хонникер, герой фантастической повести Курта Воннегута «Колыбель для кошки», создал особую кристаллическую форму — лёд-девять, который был способен при соприкосновении с жидкой водой замораживать ее. Однако, наверное, немногие знают, что лёд-девять — это не выдумка фантаста, а одна из множества возможных кристаллических фаз воды (см. рис. 1). Исследования различных высокобарических полиморфов льда вызывают в научном сообществе все больший интерес. Так, журнал Earth and Planetary Science Letters принял к печати статью группы японских экспериментаторов, исследовавших свойства льда при давлениях от 6 до 60 ГПа и комнатной температуре [1]. При таких давлениях устойчивыми являются кристаллические фазы — лёд-7 и лёд-10 (рис. 1). Статья [1] является сугубо технической, и ее подробное описание вряд ли вызовет интерес у неспециалистов, однако она является хорошим информационным поводом для того, чтобы рассказать о, казалось бы, невероятных вещах, о том, что вода может присутствовать в виде высокобарических форм льда в глубоких частях Земли и на других планетах.

Погружение океанических плит в мантию Земли геологи называют субдукцией. Минералы, слагающие породы таких плит, долго находясь под воздействием океанической воды, перекристаллизовываются, включая в свою структуру OH-группы. Так, например, оливин ((Mg,Fe)₂SiO₄) с течением времени превращается в серпентин ((Mg,Fe)₃Si₂O₅[OH]₄). При субдукции плита все время оказывается глубже и глубже, контактируя со все более горячими регионами мантии. Это приводит к тому, что вода (заключенные в структуре минералов OH-группы или водород геологи называют водой) выделяется из минералов. Добавление воды к мантийным породам приводит к массе важных эффектов. Например, температура плавления снижается, появляется магма, которая в конечном итоге прорывается на поверхность, формируя вулканические пояса, такие, как гряда Курильских вулканов.

Основная зона дегазации субдуцирующих плит находится на глубине 100 км. Может ли какое-то количество воды субдуцировать глубже? До сравнительно недавнего времени большинство геологов склонялись к тому, что не может быть. Мантия глубже 100 км — «сухая». Параллельно с этим экспериментаторы синтезировали различные водные минералы, устойчивые при высоких температурах и давлениях, но, опять же по мнению большинства геологов, недостаточно высоких температурах, чтобы отражать температуры в мантии Земли. В противоположность бытующему мнению, оценки водного баланса — сколько воды поступает с минералами в зоны субдукции и сколько возвращается обратно на поверхность через вулканизм — показывают, что в мантии остается примерно 85% субдуцирующей в нее воды [2]. Почему она остается в субдуцирующей плите и куда потом девается в мантии? Эксперименты начала-середины 90-х годов прошлого столетия показали, что основные минералы так называемой переходной зоны мантии, находящейся на глубинах 410-650 км, — вадслеит и рингвудит, являющиеся высокобарическими полиморфами оливина, — могут содержать в своей структуре несколько процентов воды. Соответственно, этот регион является основным резервуаром воды в мантии, в котором при существующем температурном градиенте может находиться примерно два-три мировых океана [3]. Этот глубинный водный резервуар Земли может быть первичным, а может истощаться в результате магматизма и пополняться в результате субдукции.

Следует отметить, что, говоря о воде в минералах на мантийных глубинах и субдуцирующих плитах, мы имели в виду не молекулярную воду, а водород. Молекулярная вода может присутствовать в субдуцирующей плите в виде так называемой фазы «10-ангстрем» [4]. Это один ответ на вопрос, почему вода не полностью дегазирует из субдуцирующей плиты при ее нагревании. Другой ответ — вода может субдуцировать в виде высокобарического льда — выглядит фантастикой. Первыми об этом написали в 2000 г. выдающиеся американские профессора Крэйг Бина (Craig Bina) и Александра Навротски (Alexandra Navrotsky) [5]. В своей статье они показали, что температура внутри океанических плит, субдуцирующих с аномально высокими скоростями (~14 см/ год), проходит через поле стабильности льда-7. В этой же статье они предположили, что на Марсе вся вода уже находится в марсианской мантии в виде льда-7, поскольку эта планета в силу ее размеров должна остывать быстрее и, соответственно, в ее мантии температурный градиент ниже, чем на Земле.

Статья Крэйга Бина и Александры Навротски пока не привлекла особого внимания (менее 30 ссылок за 10 лет), как можно было бы ожидать, исходя из ее выводов. Уж слишком трудно, видимо, представить себе лед в горячих условиях мантии Земли (рис. 1). Тем не менее, если вывод о субдуцировании льда верен, то это имеет массу важных следствий для Земли. В статье [1], например, обсуждается возможность того, что переход ото льда-7 ко льду-10 внутри холодных субдуцирующих плит и связанный с этим скачок вязкости ответственны за выполаживание плит на глубинах порядка 1000 км (часто фиксируемое методами сейсмической томографии) и за дальнейшее погружение плиты вплоть до ядра Земли после предполагаемой задержки. Другим важным следствием субдуцирования воды в виде льда является то, что после нагрева плиты лёд-7 или лёд-10 (в зависимости от глубины) неизбежно должен будет плавиться, формируя локальные регионы мантии, насыщенные водой. Это в свою очередь должно приводить к появлению расплава и аномальному вулканизму на поверхности [6]. Несомненно, интерес к высокобарическим полиморфам льда будет только расти, и в ближайшем будущем нас ожидают интересные и весьма неожиданные результаты.

Алексей Иванов,
канд. геол.-мин. наук,
 Институт земной коры СО РАН (Иркутск)

1. Asahara Y., Hirose K., Ohishi Y., Hirao N., Murakami M. Thermoelastic properties of ice VII and its high-pressure polymorphs: Implications for dynamics of cold slab subduction in the lower mantle. Earth and Planetary Science Letters, в печати doi:10.1016/j.epsl.2010.09.037
2. Peacock S.M. Fluid processes in subduction zone. Science, 1990, v. 248, p. 329-337.
3. Ohtani E. Water in the mantle. Elements, 2005, v. 1, p. 25-30.
4. Wang J., Kalinichev A.G., Kirkpatrick R.J. Molecular modeling of the 10-A phase at subduc-tion zone conditions. Earth and Planetary Science Letters, 2004, v. 222, p. 517-527.
5. Bina C.R., Navrotsky A. Possible presence of high-pressure ice in cold subducting slabs. Nature, 2000, v. 408, p. 844-847.
6. Ivanov A.V., Litasov K.D. What is the role of subduction in the flood basalt origin?: Siberian Traps case study. Geophysical Research Abstracts, 2008, v. 10., EGU2008-A-02970
7. Lin J.F., Schwegler E., Yoo C.-S. Phase diagram and physical properties of H₂O at high pressures and temperatures: applications to planetary interiors. In Earth’s deep water cycle. Eds. S.D. Jacobsen, S. Van der Lee. American Geophysical Union, 2006, Geophysical monograph 168, p. 159-170.