Океанические плиты старше 60 миллионов лет, погружающиеся в мантию со скоростью больше 10 сантиметров в год, остаются достаточно холодными, чтобы доставлять воду в глубины Земли. К такому выводу пришли ученые из Потсдамского университета и Центра геологических исследований GFZ. Они впервые измерили, насколько минерал оливин пропускает тепло в условиях мантии.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Земная кора состоит из литосферных плит, которые медленно движутся по пластичной мантии. Когда одна плита сталкивается с другой, более тяжелая уходит вглубь — этот процесс называют субдукцией.

Океаническая плита обычно тяжелее континентальной, потому что состоит из плотных минералов, таких как оливин. Он составляет 80% океанической коры и 60% верхней мантии (на глубине от 40 до 410 км).

Субдукция — процесс погружения одной литосферной плиты под другую, обычно океанической под континентальную. При этом на глубине плита плавится, вызывая вулканизм и землетрясения.

При погружении холодная плита нагревается от мантии — тепло передается за счет теплопроводности и излучения. От того, как быстро это происходит, зависит, могут ли плиты переносить воду на глубину больше 600 км и почему на таких глубинах случаются землетрясения.

Мы впервые измерили прозрачность оливина в условиях мантии, — говорит геодинамик Энрико Марцотто. — Оказалось, он пропускает инфракрасное излучение даже при огромных давлениях и температурах.

Лучистая теплопроводность отвечает за 40% тепла, которое рассеивается в верхней мантии. Это значит, что излучение сильно влияет на нагрев плит, их плотность и способность удерживать воду.

С помощью моделей ученые выяснили: из-за быстрого нагрева водосодержащие минералы разрушаются на меньшей глубине.

Это может объяснить, почему землетрясения происходят даже на 70 км под землей, — говорит Марцотто. — И только самые древние и быстрые плиты остаются достаточно холодными, чтобы доставить воду в переходную зону мантии (410–660 км).

Считается, что там хранится в три раза больше воды, чем во всех океанах.

Исследование также дает инструменты для расчета, как долго существуют тепловые аномалии в мантии — например, горячие потоки, поднимающиеся из глубин, или холодные субдукционные плиты.

Этот эксперимент помогает понять, как вода попадает в глубины Земли и почему на больших глубинах происходят землетрясения. Если мы научимся точнее предсказывать поведение плит, это улучшит модели геодинамики и, возможно, прогнозирование сейсмической активности. Кроме того, знание о распределении воды в мантии важно для изучения эволюции планеты.

Исследование опирается на лабораторные измерения оливина, но в реальных условиях мантии на его свойства могут влиять примеси других минералов. Также моделирование субдукции двумерное, а в природе процесс трехмерный и сложнее.

Ранее ученые сообщили, что мантия планеты относительно однородна.