Есть ли в Марианской впадине вулканы?
Цепь вулканов, возвышающихся над океанскими волнами и образующих Марианские острова, отражает серповидную форму Марианской впадины. На островах расположено множество странных подводных вулканов.
Например, подводный вулкан Эйфуку извергает жидкий углекислый газ из гидротермальных источников, похожих на дымоходы. Жидкость, выходящая из этих труб, имеет температуру 103°C. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), на подводном вулкане Дайкоку, расположенном неподалеку, ученые обнаружили бассейн с расплавленной серой на глубине 410 метров под поверхностью океана, что не встречается больше нигде на Земле. ()
Погружался ли кто-нибудь в Марианскую впадину?
Люди исследуют Марианскую впадину уже более ста лет.
- В 1875 году впадина была обнаружена кораблем «Челленджер» с помощью недавно изобретенного оборудования для зондирования во время кругосветного плавания, сообщается на сайте DeepSea Challenge. В 1951 году впадина была вновь прозондирована судном HMS Challenger II. Бездна Челленджера, самая глубокая часть впадины, была названа в честь этих двух судов. ()
- Первым судном с экипажем, достигшим дна Бездны Челленджера, была «глубоководная лодка» под названием Trieste, которая совершила это путешествие в 1960 году. Подводный аппарат под командованием лейтенанта ВМС США Дона Уолша и швейцарского ученого Жака Пиккара достиг глубины 10 911 метров.
- В 2012 году Джеймс Кэмерон стал пилотом второй миссии по достижению дна Бездны Челленджера. Кинорежиссер в одиночку управлял подводным аппаратом Deepsea Challenger, снимая кадры для National Geographic. Он погрузился на глубину чуть меньше первоначального рекорда, достигнув глубины 10 908 метров. ()
- В 2019 году исследователь и бизнесмен Виктор Весково управлял судном DSV Limiting Factor, побив рекорд самого глубокого погружения в Бездну Челленджера. Он спустился на глубину 10 927 метров.
- Безэкипажные погружения роботизированных подводных аппаратов во впадину также расширили знания человека об этом глубоководном океаническом рубеже. В 1995 году японская подводная лодка «Кайко» без экипажа собрала образцы и данные из впадины. В 2009 году американский гибридный дистанционно управляемый аппарат Nereus опустился на дно Бездны Челленджера и оставался там в течение 10 часов, записывая видео. (По данным BBC, в 2014 году аппарат Nereus взорвался во время исследования другой глубоководной впадины – Кермадек.) ()
- В 2021 году испанская Экспедиция «Кольцо огня» компании Caladan Oceanic, часть II, собрала мантийные породы со дна Марианской впадины, которые содержали микробные маты. ()
Состав
Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.
Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав – это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:
- кремний;
- кальций;
- магний;
- железо;
- кислород.
По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.
Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.
Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.
Поездка на ракете
Жестокое извержение вулкана, которое называется кимберлитовым, очень быстро доставило этот отдельный алмаз из глубин мантии. «Кимберлитовое извержение похоже на брошенный «ментос» в бутылку с колой. Это очень энергичная газовая реакция, которая находит свой путь к поверхности Земли».
Крошечный зеленый кристалл, шокированный 525-километровым путешествием на поверхность, был куплен у алмазодобывающей компании в Джуине, Бразилия. Алмазы из самых глубин, как правило, деформированы и избиты долгим путешествием. Пирсон говорит, что глядя на них, можно подумать, что те приехали напрямую из ада. Такие алмазы не представляют никакой коммерческой ценности, но геологам они дают уникальную возможность заглянуть вглубь Земли.
Открытие рингвудита произошло случайно, когда Пирсон и его коллеги искали способы характеризации алмазов. Ученые полагают, что тщательная обработка образцов является ключом к поиску большего количества рингвудита, поскольку нагревание алмазов на глубине, как и полировка учеными алмазов в процессе анализа, приводит к тому, что оливин изменяет форму.
Чего еще мы не знаем о Земле?
Кому принадлежит Марианская впадина?
Длина Марианской впадины составляет 2 542 км – более чем в пять раз больше длины Большого каньона. Однако ширина впадины составляет в среднем всего 69 км.
Поскольку Гуам является территорией США, а 15 Северных Марианских островов управляются Содружеством США, юрисдикцией над Марианской впадиной обладают США. В 2009 году бывший президент Джордж Буш-младший учредил Морской национальный памятник Марианской впадины, который создал охраняемый морской заповедник для примерно 506 000 квадратных километров морского дна и вод, окружающих отдаленные острова. Памятник включает в себя большую часть Марианской впадины, 21 подводный вулкан и территории вокруг трех островов.
Марианская впадина расположена в западной части Тихого океана. (Изображение предоставлено: www.freeworldmaps.net)
Как образовалась Марианская впадина?
Марианская впадина образовалась в результате процесса, происходящего в зоне субдукции, где сталкиваются две массивные плиты океанической коры, известные как тектонические плиты. В зоне субдукции один кусок океанической коры проталкивается и протаскивается под другим, погружаясь в мантию Земли, слой под корой. Там, где два куска коры пересекаются, над изгибом погружающейся коры образуется глубокая впадина. В данном случае тихоокеанская плита прогибается под филлипинской плитой.
Возраст тихоокеанской плиты составляет около 180 миллионов лет в том месте, где она погружается во впадину. Филиппинская плита моложе и меньше по размеру, чем тихоокеанская.
Какой бы глубокой ни была впадина, она не является местом, расположенным ближе всего к центру Земли. Поскольку планета выпуклая в районе экватора, радиус на полюсах примерно на 25 км меньше радиуса на экваторе. Таким образом, часть морского дна Северного Ледовитого океана находится ближе к центру Земли, чем Бездна Челленджера.
Давление воды на дно впадины составляет более 703 килограмм на квадратный метр. Это более чем в 1000 раз превышает давление, ощущаемое на уровне моря, или эквивалентно давлению 50 реактивных самолетов, нагроможденных на человека.
Продолжительность
Океан лунной магмы мог существовать от десятков до сотен миллионов лет после образования Луны. По оценкам, Луна образовалась между 52 и 152 миллионами лет после включения богатых кальцием и алюминием включений (CAI), которые, будучи самыми старыми твердыми телами в Солнечной системе, служат индикатором возраста Солнечной системы. Это, в свою очередь, оставляет неопределенным точное время формирования Океана Лунной Магмы. С другой стороны, конечная точка может быть указана возрастом ферроанортозита (FAN) образца 60025 (4,360 ± 0,003 млрд лет) и оценочным возрастом ur-KREEP (4,368 ± 0,029 млрд лет). Если Луна сформировалась рано (то есть через 52 миллиона лет после образования Солнечной системы) и образец ферроанортозита 60025, а также оценочный возраст ur-KREEP указывают, когда Лунный Магматический Океан полностью кристаллизовался, то Лунный Магматический Океан просуществовал бы около 155 миллионов лет. В этом случае компьютерные модели показывают, что для продления кристаллизации Лунного океана магмы требуется один или несколько источников тепла (например, приливное нагревание). С другой стороны, если Луна сформировалась поздно (то есть через 152 миллиона лет после образования Солнечной системы), то опять же с использованием возраста образца 60025 ферроанортозита и оценочного возраста ur-KREEP, Лунный океан магмы просуществовал около 55 миллионов лет. Это означало бы, что Океан Лунной Магмы не был продлен одним или несколькими дополнительными источниками тепла.
Возраст наиболее достоверной пробы ферроанортозита (FAN) показан красным квадратом (полосы ошибок меньше маркера), а наилучшая оценка образования исходного слоя KREEP на глубине (т.е. ur-KREEP) показана темным. голубой треугольник. Серыми кружками показаны самые старые и самые молодые образцы ферроанортозита.
В прошлом разница в возрасте между самым старым и самым молодым образцами ферроанортозита использовалась для определения продолжительности существования океана лунной магмы. Это было проблематично из-за больших ошибок в определении возраста выборки и из-за того, что возраст некоторых выборок был сброшен из-за ударов. Например, самый старый образец ферроанортозита — 67016 с Sm-Nd возрастом 4.56 ± 0.07 млрд лет, а самый молодой — 62236 с Sm-Nd возрастом 4.29 ± 0.06 млрд лет. Разница между этими возрастами составляет 270 миллионов лет. Это снова будет означать, что у Лунного океана магмы есть дополнительный источник тепла, такой как приливное нагревание.
Что прячет мантия?
Большую часть объема Земли составляет мантия, горячий слой камня между корой и ядром. Расположенная слишком глубоко, чтобы добраться до нее при помощи бура, о мантии можно судить только по двум уликам: по метеоритам и по кускам породы, поднятой вулканами. Во-первых, ученые считают, что состав мантии идентичен составу метеоритов типа хондритов, которые состоят главным образом из оливина. Во-вторых, лава, которую изрыгают вулканы, иногда поднимает из мантии кусочки минералов, которые намекают на высокую температуру и давление, которым подвергается оливин в недрах Земли.
За последние десятилетия ученые также воссоздали мантию в лабораториях, нагревая оливин лазерами, выстреливая минералами из массивных орудий и сжимая камни в алмазных наковальнях, имитирующих недра Земли.
Лабораторные исследования показали, что оливин принимает разные формы в зависимости от глубины, на которой обнаруживается. По мере роста давления образуются новые формы кристаллов. Изменения скорости волн землетрясений также поддерживают эту модель. Сейсмические волны ускоряются или замедляются на определенной глубине в мантии. Ученые предполагают, что эти зоны скорости формируются в зависимости от типа оливина. К примеру, на глубине от 520 до 660 километров, оливин должен становиться рингвудитом. Но до нынешних пор ни у кого не было прямых доказательств того, что на этой глубине он вообще есть.
Что обитает в Марианской впадине?
Недавние научные экспедиции обнаружили удивительно разнообразную жизнь в этих суровых условиях. Животные, обитающие в самых глубоких частях Марианской впадины, выживают в условиях полной темноты и экстремального давления.
Пища в Марианской впадине крайне ограничена, поскольку глубокое ущелье находится далеко от суши. Наземный растительный материал редко попадает на дно впадины, а мертвый планктон, опускающийся с поверхности, должен опуститься на тысячи метров, чтобы достичь Бездны Челленджера. Вместо этого некоторые микробы питаются химическими веществами, такими как метан или сера, а другие существа пожирают морскую жизнь, которая находится ниже их в пищевой цепи.
Три самых распространенных организма на дне Марианской впадины – это ксенофиофоры, амфиподы и маленькие морские огурцы (голотурии).
Это одни из самых глубоководных голотурий, которые когда-либо наблюдались, и они были относительно многочисленны.
Оранжевым цветом показаны очертания Pseudoliparis swirei. Если смотреть слева, то у нее большая голова, слегка заостренная, с множеством тонких острых зубов. Сзади виден длинный позвоночник. Под позвоночником и внутри желудка находится маленькое, но толстое червеобразное существо с маленькими усиками зеленого цвета. (Иллюстрация: Адам Саммерс / Вашингтонский университет).
Одноклеточные ксенофиофоры похожи на гигантских амеб, они питаются, окружая и поглощая пищу. Амфиподы – блестящие, похожие на креветок падальщики, которых обычно находят в глубоководных впадинах; как они выжили там, оставалось загадкой, поскольку панцири амфипод легко растворяются в условиях высокого давления Марианской впадины. Но в 2019 году японские исследователи обнаружили, что по крайней мере один вид обитателей Марианской впадины для укрепления своего панциря использует алюминий, получаемый из морской воды.
Во время экспедиции Кэмерона в 2012 году ученые также заметили микробные маты в Бездне Сирены, зоне к востоку от Бездны Челленджера. Эти скопления микробов питаются водородом и метаном, выделяющимися в результате химических реакций между морской водой и горными породами.
Один из главных хищников региона – обманчиво уязвимая на вид рыба. В 2017 году ученые сообщили, что им удалось собрать образцы необычного существа, названного Pseudoliparis swirei, которое обитает на глубине около 8 000 метров. Маленькое, розовое и бесчешуйчатое тело этой рыбы вряд ли способно выжить в такой суровой среде, но это существо полно сюрпризов, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в том же году в журнале Zootaxa. Это животное, похоже, доминирует в этой экосистеме, заходя глубже, чем любая другая рыба, и пользуясь отсутствием конкурентов, пожирая обильную беспозвоночную добычу, населяющую впадину, пишут авторы исследования. ()
Глубочайший океан Земли
Алмаз из Бразилии подтверждает, что модели корректны. Оливин становится рингвудитом на такой глубине, а этот слой называется переходной зоной мантии. Также находка разрешает долго текущие дебаты о наличии воды в этой самой зоне. Рингвудит на 1,5 % состоит из воды, представленной не в жидком виде, а в виде ионов гидроксильной группы. Результаты говорят о том, что в переходной зоне мантии может быть очень много воды (на глубине от 410 до 660 километров под Землей).
Тектоника плит перерабатывает земную кору стягивая и растягивая плиты океанической коры в зонах субдукции, где она погружена в мантию. Эта кора, пропитанная океаном, сливает воду в мантию. Многие из таких плит в конечном счете застревают в переходной зоне мантии. Ученые считают, что значительная часть воды в мантии берется именно отсюда. Переходная зона становится кладбищем субдуцируемых плит.
Кепплер отметил, что есть возможность того, что вулканическое извержение, которое вывело на поверхность алмаз из глубин Земли, случилось в крайне насыщенной водой части мантии, и не весь слой переходных зон может быть так насыщен водой, как это показал рингвудит.
Способы изучения
Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.
Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:
- скорость сейсмических волн;
- сила тяжести;
- характеристики и показатели электропроводности;
- изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.
Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.
Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.
Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.
Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.
