Круговорот глубокой воды - Deep water cycle

В круговорот глубокой воды, или же геологический круговорот воды, предполагает обмен воды с мантия, с водой, уносимой вниз подчинение океанические плиты и возвращение в результате вулканической активности, отличной от круговорот воды процесс, который происходит над и на поверхности Земли. Часть воды доходит до нижняя мантия и может даже достичь внешнее ядро. 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.

Вступление

Основная статья: Круговорот воды

В традиционном представлении о круговороте воды (также известном как гидрологический цикл) вода движется между резервуарами в атмосфера и поверхности Земли или приповерхностного слоя (включая океан, реки и озера, ледники и полярные ледяные шапки, то биосфера и грунтовые воды ). Однако, в дополнение к круговороту на поверхности, вода также играет важную роль в геологических процессах, доходящих до корка и мантия. Содержание воды в магма определяет, насколько взрывоопасно извержение вулкана; горячая вода является основным каналом для концентрирования экономически важных минералов. гидротермальные месторождения полезных ископаемых; и вода играет важную роль в образовании и миграции нефть.[1]

Схема границ тектонических плит. В тексте обсуждается субдукционная пластина (5); островная дуга (15), перекрывающая мантийный клин; срединно-океанический хребет (12); и точка доступа (3).

Вода не просто присутствует в земле как отдельная фаза. Морская вода просачивается в океаническую кору и гидраты магматические породы, такие как оливин и пироксен, превращая их в водные минералы, такие как серпантины, тальк и брусит.[2] В этой форме вода уносится в мантию. в верхняя мантия, тепло и давление обезвоживают эти минералы, высвобождая большую их часть в вышележащие мантийный клин, вызывая плавление породы, которая поднимается, чтобы сформировать вулканические дуги.[3] Однако некоторые из «номинально безводных минералов», которые стабильны глубже в мантии, могут накапливать небольшие концентрации воды в виде гидроксил (ОЙ−),[4] и поскольку они занимают большие объемы Земли, они способны хранить, по крайней мере, столько же, сколько Мировой океан.[1]

Традиционное представление о происхождении океана состоит в том, что он был заполнен газами из мантии в ранние времена. Архейский и с тех пор мантия остается обезвоженной.[5] Однако субдукция уносит воду со скоростью, которая опустошит океан за 1-2 миллиарда лет. Несмотря на это, изменения в глобальный уровень моря за последние 3–4 миллиарда лет они составляли 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 при извержениях на срединно-океанические хребты и горячие точки.[6] Эта циркуляция воды в мантии и обратно известна как круговорот глубокой воды или геологический круговорот воды.[7][8][9][3]

Оценки количества воды в мантии колеблются от1⁄4 в 4 раза больше воды в океане.[10] Есть 1,37 × 1018 м3 воды в морях, следовательно, можно предположить, что между 3,4 × 1017 и 5,5 × 1018 м3 воды в мантии. Ограничения на воду в мантии связаны с минералогией мантии, образцами горных пород из мантии и геофизическими исследованиями.

Вместимость склада

Смотрите также: Минеральная физика
Зависимость температуры от глубины в верхних 500 километрах Земли (черная кривая).

Верхнюю границу количества воды в мантии можно получить, рассмотрев количество воды, которое могут унести ее минералы (их вместимость склада). 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).[11] Нисходящие плиты имеют температуру ниже средней.

Фазовые превращения оливина, движущегося через верхнюю мантия, переходная зона и нижняя мантия. В активной зоне вода может храниться в виде водорода, связанного с железом.

Мантия может быть разделена на верхнюю (глубину более 410 км), переходная зона (между 410 км и 660 км) и нижней мантии (ниже 660 км). Большая часть мантии состоит из оливина и его высокого давления полиморфы. В верхней части переходной зоны он подвергается фаза перехода к вадслеит, а на глубине около 520 км вадслеит переходит в рингвудит, который имеет шпинель структура. В верхней части нижней мантии рингвудит разлагается на бриджманит и ферропериклаз.[12]

Самый распространенный минерал в верхней мантии - оливин. Для глубины 410 км ранняя оценка 0,13процент воды по весу (мас.%) было увеличено до 0,4 мас.%, а затем до 1 мас.%.[10][13] Однако к верху мантии несущая способность резко снижается. Другой распространенный минерал, пироксен, также имеет оценочную мощность 1 мас.% Около 410 км.[10]

В переходной зоне вода переносится вадслеитом и рингвудитом; в относительно холодных условиях нисходящей плиты они могут нести до 3 мас.%, в то время как при более высоких температурах окружающей мантии их емкость составляет около 0,5 мас.%.[14] Переходная зона также состоит не менее чем из 40% мажорит, фаза высокого давления гранат;[15] это имеет емкость только 0,1 мас.% или меньше.[16]

Емкость нижней мантии является предметом разногласий, причем оценки варьируются от 3% до менее 3% океана. Эксперименты ограничивались давлениями, обнаруженными в верхних 100 км мантии, и их сложно выполнить. Результаты могут быть смещены вверх из-за включений водных минералов и вниз из-за неспособности поддерживать флюидонасыщение.[17]

При высоких давлениях вода может взаимодействовать с чистым железом с образованием FeH и FeO. Модели внешнее ядро предсказывают, что в этой форме он мог удерживать до 100 океанов воды, и эта реакция могла высушить нижнюю мантию в ранней истории Земли.[18]

Вода из мантии

Пропускная способность мантии - это только верхняя граница, и нет веских причин предполагать, что мантия насыщена.[19] Дальнейшие ограничения на количество и распределение воды в мантии связаны с геохимическим анализом изверженных базальтов и ксенолитов из мантии.

Базальты

Базальты сформировались на срединно-океанические хребты горячие точки берут начало в мантии и используются для предоставления информации о составе мантии. Поднятие магмы на поверхность может претерпеть фракционная кристаллизация в которых сначала осаждаются компоненты с более высокими температурами плавления, а полученные 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 задуговые бассейны вокруг вулканических дуг составляют от 1 до 2,9 мас.% из-за воды, стекающей с погружающейся плиты.)[18]

Базальты срединно-океанических хребтов (MORB) обычно классифицируются по обилию микроэлементы которые несовместимый с минералами, которые они населяют. Они делятся на «нормальные» MORB или N-MORB с относительно низким содержанием этих элементов и обогащенные E-MORB.[20] Обогащение воды хорошо коррелирует с обогащением этих элементов. В N-MORB предполагается, что содержание воды в мантии источника составляет 0,08–0,18 мас.%, А в E-MORB оно составляет 0,2–0,95 мас.%.[18]

Другая распространенная классификация, основанная на анализе MORB и базальтов океанических островов (OIB) из горячих точек, выделяет 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 = 238U /234Pb). Пятый компонент - истощенный MORB (DMM).[21] 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.[10] Многочисленные исследования показывают, что содержание воды в FOZO составляет около 0,075 мас.%, И большая часть этой воды, вероятно, является «молодой» водой, полученной во время аккреции Земли. DMM содержит всего 60 ppm воды.[7] Если эти источники отбирают все области мантии, общее количество воды зависит от их доли; включая неопределенности, оценки варьируются от 0,2 до 2,3 океана.[10]

Алмазные включения

Алмаз из Джуина, Бразилия, с включениями рингвудита предполагает наличие воды в переходной зоне.[22]

Минеральные образцы переходной зоны и нижней мантии происходят из включения нашел в бриллианты. Исследователи недавно обнаружили алмазные включения лед-VII в переходной зоне. 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.[23] 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 котором образовывались включения, предполагает, что включения существовали в виде жидкостей, а не твердых тел.[23][22]

Еще один алмаз был обнаружен с включениями рингвудита. Использование техник, включая ИК-спектроскопия, Рамановская спектроскопия, и дифракция 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.%.[24]

Геофизические данные

Сейсмический

Как внезапное снижение сейсмической активности, так и электропроводность указывают на то, что переходная зона способна производить гидратированный рингвудит. В USArray сейсмический эксперимент - долгосрочный проект, использующий сейсмометры нанести на карту мантию, лежащую в основе Соединенных Штатов. Используя данные этого проекта, сейсмометрические измерения показывают соответствующие признаки расплава на дне переходной зоны.[25] 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 снижение сейсмических скоростей точно коррелирует с прогнозируемым присутствием 1 мас.% Расплава H2О.[26]

Зоны сверхнизкой скорости (ULVZ) были обнаружены прямо над граница ядро-мантия (CMB). Эксперименты, подчеркивающие присутствие пероксида железа, содержащего водород (FeO2ЧАСИкс) соответствует ожиданиям ULVZ. Исследователи считают, что железо и вода могут реагировать с образованием FeO.2ЧАСИкс в 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 ULVZ, но образование расплава в области, окружающей CMB, остается спорным.[27]

Субдукция

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 содержит множество минералов, которые сочетают в себе различные пропорции оксид магния (MgO), диоксид кремния (SiO2) и вода.[28] При низких давлениях (ниже 5 ГПа) к ним относятся: антигорит, форма змеевика, 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.%), Фаза 10Å (продукт высокого давления талька и воды,[29] 10–13 мас.%) И лавсонит (11,5 мас.%). При давлениях выше 7 ГПа присутствует топаз-ОН (Al2SiO4(ОЙ)2, 10 мас.%), Фаза Яйцо (AlSiO3(OH), 11-18 мас.%) И совокупность плотных водных силикатов магния (DHMS) или «алфавитных» фаз, таких как фаза A (12 мас.%), D (10 мас.%) И E (11 мас.%).[30][28]

Судьба воды зависит от того, смогут ли эти фазы поддерживать непрерывную последовательность при спуске плиты. На глубине около 180 км, где давление около 6 гигапаскали (ГПа) и температуре около 600 ° C, существует возможная «точка затвора», где области стабильности только встречаются. Более горячие плиты будут терять всю воду, в то время как более холодные плиты передают воду фазам DHMS.[14] В более холодных плитах часть выпущенной воды также может быть стабильной в виде льда VII.[31][32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Bodnar, R.J .; Азбей, Т .; Becker, S.P .; Cannatelli, C .; Fall, A .; Северс, М.Дж. (2013). «Геогидрологический цикл всей Земли, от облаков до ядра: распределение воды в динамической системе Земли» (PDF). В М.Э., Бикфорд (ред.). Сеть геологических наук: достижения, влияние и взаимодействие: специальный доклад Геологического общества Америки 500. Геологическое общество Америки. С. 431–461. Дои:10.1130/2013.2500(13). ISBN  9780813725000. Получено 19 апреля 2019.
  2. ^ Павлин, Саймон М .; Гайндман, Рой Д. (15 августа 1999 г.). «Водные минералы в мантийном клине и максимальная глубина субдукционных надвиговых землетрясений». Письма о геофизических исследованиях. 26 (16): 2517–2520. Дои:10.1029 / 1999GL900558.
  3. ^ а б Rüpke, L; Морган, Джейсон Фиппс; Хорт, Матиас; Коннолли, Джеймс А. Д. (июнь 2004 г.). «Змеевик и круговорот воды в зоне субдукции». Письма по науке о Земле и планетах. 223 (1–2): 17–34. Bibcode:2004E и PSL.223 ... 17R. Дои:10.1016 / j.epsl.2004.04.018.
  4. ^ Bell, D. R .; Россман, Г. Р. (13 марта 1992 г.). «Вода в мантии Земли: роль номинально безводных минералов». Наука. 255 (5050): 1391–1397. Дои:10.1126 / science.255.5050.1391. PMID  17801227. S2CID  26482929. Получено 23 апреля 2019.
  5. ^ Кепплер, Ганс (2013). «Летучие вещества под высоким давлением». В Карато - Сюн-ичиро; Карато, Сюнъитиро (ред.). Физика и химия глубин Земли. Джон Вили и сыновья. С. 22–23. Дои:10.1002 / 9781118529492.ch1. ISBN  9780470659144.
  6. ^ Хиршманн 2006, п. 646
  7. ^ а б Рупке, Ларс; Морган, Джейсон Фиппс; Диксон, Жаклин Иби (2013). «Влияние субдукционной регидратации на глубоководный цикл Земли» (PDF). Цикл глубинной воды Земли (PDF). Серия геофизических монографий. С. 263–276. Дои:10.1029 / 168GM20. ISBN  9781118666487. Получено 20 апреля 2019. В Якобсен и Ван дер Ли 2006 С. 263–276.
  8. ^ Магни, Валентина; Буйоль, Пьер; ван Хунен, Йерун (ноябрь 2014 г.). «Глубокая рециркуляция воды во времени». Геохимия, геофизика, геосистемы. 15 (11): 4203–4216. Дои:10.1002 / 2014GC005525. ЧВК  4548132. PMID  26321881.
  9. ^ Коренага, Дж. (10 декабря 2011 г.). «Тепловая эволюция с гидратирующей мантией и начало тектоники плит на ранней Земле». Журнал геофизических исследований. 116 (B12). Дои:10.1029 / 2011JB008410. S2CID  40490409.
  10. ^ а б c d е Хиршманн 2006, стр. 630–634
  11. ^ Turcotte, Donald L .; Шуберт, Джеральд (2002). «4-28 Мантийные геотермы и адиабаты». Геодинамика (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр.185 –188. ISBN  978-0-521-66624-4.
  12. ^ Christensen, U.R. (1995). «Влияние фазовых переходов на мантийную конвекцию». Анну. Преподобный "Планета Земля". Наука. 23: 65–87. Bibcode:1995AREPS..23 ... 65C. Дои:10.1146 / annurev.ea.23.050195.000433.
  13. ^ Смит, Джозеф Р .; Якобсен, Стивен Д. (2013). «Номинально безводные минералы и круговорот глубинных вод Земли». Цикл глубинной воды Земли. Серия геофизических монографий. С. 1–11. Дои:10.1029 / 168GM02. ISBN  9781118666487. S2CID  8066681. В Якобсен и Ван дер Ли 2006, стр. 1–12.
  14. ^ а б Отани, Эйдзи; Литасов, Константин; Хосоя, Томофуми; Кубо, Томоаки; Кондо, Тадаши (июнь 2004 г.). «Перенос воды в глубокую мантию и образование водной переходной зоны». Физика Земли и планетных недр. 143–144: 255–269. Дои:10.1016 / j.pepi.2003.09.015.
  15. ^ Томас, Сильвия-Моник; Уилсон, Кэтрин; Кох-Мюллер, Моника; Хаури, Эрик Х .; Маккаммон, Кэтрин; Якобсен, Стивен Д .; Лазарц, Джон; Реде, Дитер; Рен, Минхуа; Блэр, Нил; Ленц, Стефан (12 мая 2015 г.). «Количественное определение воды в мажоритном гранате». Американский минералог. 100 (5–6): 1084–1092. Дои:10.2138 / am-2015-5136. OSTI  1335511. S2CID  101667119.
  16. ^ Булфан ‐ Казанова, Натали; Mccammon, Catherine A .; Маквелл, Стивен Дж. (2013). «Вода переходной зоны и минералы нижней мантии». Цикл глубинной воды Земли. Серия геофизических монографий. С. 57–68. Дои:10.1029 / 168GM06. ISBN  9781118666487.
  17. ^ Хиршманн 2006, п. 644
  18. ^ а б c Уильямс, Квентин; Хемли, Рассел Дж. (Май 2001 г.). «Водород в глубинах Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 29 (1): 365–418. Дои:10.1146 / annurev.earth.29.1.365. Получено 23 апреля 2019.
  19. ^ Карато, Сюн-ичиро (январь 2011 г.). «Распределение воды в переходной зоне мантии и его значение для глобальной циркуляции материала». Письма по науке о Земле и планетах. 301 (3–4): 413–423. Дои:10.1016 / j.epsl.2010.11.038. S2CID  46386661.
  20. ^ Ульрих, Марк; Эмонд, Кристоф; Ноннот, Филипп; Йохум, Клаус Питер (июнь 2012 г.). «Утилизация OIB / подводной горы как возможный процесс для генезиса E-MORB» (PDF). Геохимия, геофизика, геосистемы. 13 (6): Q0AC19. Дои:10.1029 / 2012GC004078.
  21. ^ Stracke, Андреас; Hofmann, Albrecht W .; Харт, Стэн Р. (май 2005 г.). «ФОЗО, ХИМУ и прочий мантийный зоопарк» (PDF). Геохимия, геофизика, геосистемы. 6 (5): н / д. Дои:10.1029 / 2004GC000824. HDL:1912/451.
  22. ^ а б Пирсон, Д.Г .; Brenker, F.E .; Nestola, F .; McNeill, J .; Nasdala, L .; Hutchison, M. T .; Матвеев, С .; Mather, K .; Silversmit, G .; Schmitz, S .; Векеманс, Б .; Винце, Л. (2014). «Зона перехода водной мантии обозначена рингвудитом, включенным в алмаз» (PDF). Природа. 507 (7491): 221–4. Bibcode:2014Натура.507..221П. Дои:10.1038 / природа13080. PMID  24622201. S2CID  205237822.
  23. ^ а б Чаунер, О; Хуанг, S; Гринберг, Э; Пракапенко, В.Б .; Ma, C; Россман, Г.Р .; Шен, АХ; Zhang, D; Ньювилл, М; Ланциротти, А; Тейт, К. (9 марта 2018 г.). «Включения льда-VII в алмазах: свидетельство наличия водной жидкости в глубокой мантии Земли». Наука. 359 (6380): 1136–1139. Bibcode:2018Научный ... 359.1136T. Дои:10.1126 / science.aao3030. PMID  29590042.
  24. ^ «Прямые измерения воды в переходной зоне Земли». Глубокая углеродная обсерватория. 13 марта 2014 г.. Получено 24 апреля 2019.
  25. ^ Олден, Эндрю (12 июня 2014 г.). «Новое свидетельство глубинного водного цикла Земли раскрывает виртуальный погребенный океан». KQED. Получено 24 апреля 2019.
  26. ^ Schmandt, B .; Jacobsen, S.D .; Becker, T. W .; Liu, Z .; Дьюкер, К. Г. (2014). «Обезвоживание таяния верхней части нижней мантии». Наука. 344 (6189): 1265–8. Bibcode:2014Научный ... 344.1265S. Дои:10.1126 / science.1253358. PMID  24926016. S2CID  206556921.
  27. ^ Лю, Цзинь; Ху, Цинъян; Юная Ким, Дак; У, Чжунцин; Ван, Вэньчжун; Сяо, Юймин; Чоу, Пол; Мэн, Юэ; Пракапенко, Виталий Б .; Мао, Хо-Гван; Мао, Венди Л. (2017). «Водородсодержащий пероксид железа и возникновение зон сверхнизких скоростей». Природа. 551 (7681): 494–497. Bibcode:2017Натура.551..494L. Дои:10.1038 / природа24461. OSTI  1423460. PMID  29168804. S2CID  4463870.
  28. ^ а б Кавамото, Т. (1 января 2006 г.). «Водные фазы и водный транспорт в погружающей плите». Обзоры по минералогии и геохимии. 62 (1): 273–289. Дои:10.2138 / RMG.2006.62.12.
  29. ^ Уэбб, Грэм А. (2003). Годовые отчеты по спектроскопии ЯМР. Том 56. Elsevier Academic Press. п. 324. ISBN  9780124079052.
  30. ^ Mainprice, Дэвид; Ильдефонс, Бенуа (2009). «Сейсмическая анизотропия минералов зоны субдукции - вклад водной фазы». В Лаллеманде, Серж; Фуничелло, Франческа (ред.). Геодинамика зоны субдукции. Springer Science & Business Media. С. 65–67. Дои:10.1007/978-3-540-87974-9_4. ISBN  9783540879749. Получено 24 апреля 2019.
  31. ^ Бина, Крейг Р .; Навроцкий, Александра (декабрь 2000 г.). «Возможное наличие льда высокого давления в холодных погружающихся плитах». Природа. 408 (6814): 844–847. Дои:10.1038/35048555. PMID  11130720. S2CID  4324205.
  32. ^ Иванов, Алексей В .; Литасов, Константин Д. (30 июля 2013 г.). «Глубоководный круговорот и паводковый базальтовый вулканизм». Международный обзор геологии. 56 (1): 1–14. Дои:10.1080/00206814.2013.817567. S2CID  129158587.

дальнейшее чтение