Углерод закутался в мантию

Круговорот углерода на поверхности земли, водах и в атмосфере – едва ли не ключевой регулятор климатических условий Земли. Однако основные запасы углерода сосредоточены все же не на поверхности, а в верхних слоях мантии, откуда черпают ресурсы для извержений вулканы. Похожие процессы выноса углерода на поверхность, только в гораздо большем масштабе, протекают и в области срединных океанических хребтов, заново формирующих океаническое дно и полностью обновляющих его за какие-то двести миллионов лет.

Большая часть расплава, поступающего в зоны этих разломов, обогащена кремнием и формируется в верхних слоях мантии на глубинах до ста километров. На таких малых глубинах плавление экстрактов мантии происходит при участии воды и диоксида углерода – компонентов, понижающих температуру плавления.

Фабрис Галлард, сотрудник Института наук о земле при Орлеанском университете, и его коллеги сумели показать, что обмен углеродом с поверхностью могут осуществлять и более глубинные слои мантии. Этот глубинный источник углерода может не только менять объем поверхностного резервуара расплава, но и существенно влиять на процессы экстракции углерода из верхних слоев мантии в этот расплав.

Он же может быть задействован и в другом процессе круговорота углерода – формировании алмазных россыпей и кимберлитовых трубок.

В своих соображениях коллектив французских и итальянских ученых исходил из факта существования слоев мантии с высокой электрической проводимостью до 0,1 Сименса на метр на глубине более 60 км. Считается, что слои мантийных пород, имеющие высокую проводимость, могут быть обогащены силикатным расплавом или породой оливина, насыщенной водой. Но на таких глубинах плавление породы, насыщенной кремнием, требует высоких температур и большого количества воды, вот почему до сегодняшнего дня геологи и склонялись к гипотезе гидратированного оливина.

У такого объяснения есть и несколько слабых сторон: во-первых, степень влияния воды на проводимость оливина до сих пор точно не известна. А во-вторых, в этом случае необъяснимым остается факт высокой анизотропии, то есть различии свойств в зависимости от направления, проводимости мантийных слоев.

Галлард и коллеги решили проверить третью гипотезу: карбонатитного происхождения высокой проводимости.

Авторы публикации в Science провели обширную серию экспериментальных работ, в которых показали, что проводимость карбонатных расплавов при повышенной температуре более чем на три порядка превосходит таковую у силикатных расплавов. Потому для достижения относительно высоких показателей электрической проводимости достаточно включить в слой мантии всего лишь 0,1% карбонатного расплава.

Справедливость теоретических изысканий была подтверждена экспериментами на мантийных слоях под Тихоокеанским хребтом. Этот участок океанических пород был особенно тщательно изучен за годы геофизических экспедиций, и петрологические данные показывают, что слои мантии на глубине около трехсот километров содержат именно небольшое количество карбонатитных расплавов.

Так, геологические работы выявили геологическую область с низкой проводимостью от 10^-2 до 10^-3 сименс на метр, соответствующей перидотитной породе верхних 60 километров мантии. Одна из двух сильнопроводящих структур залегает до двухсот километров под осью разлома, а вторая располагается перпендикулярно и восточнее первой на глубинах 70–120 км.

Анизотропия проводимости, выявленная и в той и в другой, означает, что кроме гидратированного оливина в этих структурах должен быть еще один компонент, вносящий вклад в проводимость пород.

Обычно в высокой проводимости мантийных пород геологи винят силикатные расплавы, но в данном случае это объяснение неправомерно – базальтные породы, основной источник кремниевых расплавов, на таких глубинах практически не плавятся, потому единственным дополнительным компонентом, вносящим вклад в проводимость гидратированного оливина, может быть только расплавленный карбонатит. Тем более что для зарегистрированного повышения проводимости его объемная доля в оливине может не превышать 0,1%.

Так как верхние слои мантии не проявляют высокой проводимости, это означает, что большая часть остается на большой глубине карбонатитных расплавов, не поднимается к разломам. Геологи считают, что они циркулируют в астеносфере – области мантии с сильными конвекционными потоками, вероятно, участвуют в формировании подводных горных цепей и на поверхность поднимаются только в зонах глубинных разломов, где литосферные плиты наезжают одна на другую. Детализация этих вопросов и станет задачей дальнейших исследований.