Наконец-то океанские бурильщики извлекли из мантии Земли большое количество горных пород | Наука

В 1961 году геологи у тихоского побережья Мексики предприняли смелое путешествие в чужую землю — в недра планеты. С корабля они намеревались пробурить тонкий слой земной коры и взять образец мантии, 2900-километрового слоя плотной породы, которая питает извержения вулканов и составляет большую часть массы планеты. Буровая установка опустилась всего на пару сотен метров под морское дно, прежде чем проект провалился из-за растущих затрат. Но поиск — один из священных граалей геологии — остался.

В этом месяце исследователи на борту ДЖОЙДЕС Резолюцияфлагман Международной программы океанических открытий (IODP), говорят они, наконец, преуспели. Буря под морским дном в середине Атлантического океана, они собрали керн породы длиной более 1 км, состоящий в основном из перидотита, своего рода породы верхней мантии. Хотя неясно, насколько нетронутыми и неизмененными являются образцы, очевидно, что цилиндры серо-зеленой породы представляют собой беспрецедентный новый рекорд, говорит Сьюзен Лэнг, биогеохимик из Океанографического института Вудс-Хоул и один из руководителей круиза. «Это те типы горных пород, которые мы давно надеялись восстановить».

Исследователи на суше жадно следя за ежедневными научными журналами корабля пока бурение продолжается, говорит Джессика Уоррен, геохимик мантии из Университета Делавэра. «Приступить к этим действительно свежим вещам было мечтой на протяжении десятилетий», — говорит она. «Наконец-то мы увидим Волшебника страны Оз».

Образцы могут помочь ответить на множество вопросов, говорит Йохан Лиссенберг, петролог извержений из Университета Кардиффа на борту корабля. Они могут предоставить прямые доказательства того, как кора океана отличается по составу от верхней мантии, и более точные оценки содержания элементов в основном резервуаре горных пород планеты. Образцы мантии также помогут исследователям понять, как магма выплавляется из мантии и поднимается сквозь земную кору, вызывая вулканизм, говорит Лиссенберг. «Это может стать большим шагом вперед для понимания магматизма и глобального состава и».

Проект 1961 года, названный Проект Мохол, была первой из нескольких неудачных попыток достичь мантии. Он был назван в честь разрыва Мохоровичича, или «Мохо», геофизической границы, определяемой внезапным всплеском скорости сейсмических волн, где кора, представляющая собой смесь горных пород, кристаллизовавшихся из мантийного расплава и измененных водой, уступает место более однородная мантия. Мохо лежит примерно на 35 километров ниже толстой континентальной коры. Но это всего около 7 километров ниже океанской коры. А на буровой еще мельче. ДЖОЙДЕС Резолюция на Срединно-Атлантическом хребте, где североамериканская и евразийская тектонические плиты растягиваются, выталкивая мантию вверх.

Аэрофотоснимок JOIDES Resolution, сделанный с помощью дрона.
Бурение велось на борту ДЖОЙДЕС Резолюцияамериканский корабль, который должен уйти в отставку в следующем году.Габриэль Тальяро и IODP


Восстановление ядра длинной мантии не было основная цель круиза, который исследует массив Атлантиды, подводную гору, в поисках ключей к происхождению жизни. Породы массива содержат много оливина, минерала, который реагирует с водой в процессе, называемом серпентинизацией. Реакции производят водород, который служит источником энергии для микробной жизни в «Затерянном городе», соседнем комплексе минеральных дымоходов на дне океана, образовавшихся из фонтанов перегретой воды.

Давно предполагалось, что жизнь могла зародиться в таких условиях, богатых органическими молекулами. Круиз был направлен на углубление ранее пробуренной ямы глубиной 1,4 километра на слишком горячую для жизни глубину, где могут скрываться органические соединения, которые могли стать сырьем для самой ранней жизни. Но прогресс был медленным.

Поэтому корабль вернулся к другому месту недалеко от Лост-Сити, где в 2015 году при бурении неглубоких кернов было обнаружено нечто, похожее на породы мантии, сильно измененные морской водой. После пробивания горизонтального разлома у морского дна «бурение прошло как по волшебству», — говорит Эндрю Маккейг, геолог из Университета Лидса и другой главный научный сотрудник круиза. Единственный сбой произошел, когда извлеченные породы перидотита содержали прожилки асбеста, что потребовало более строгих протоколов безопасности.

По словам Донны Блэкман, геофизика из Калифорнийского университета в Санта-Круз, до сих пор есть место для споров о том, являются ли эти породы истинным образцом мантии. Считается, что сейсмическое ускорение в Мохо отражает недостаток воды или минералов кальция и алюминия в мантийных породах. Поскольку образцы все еще показывают некоторое влияние морской воды, Блэкман говорит, что она может классифицировать их как глубокую кору. «Но петрология все равно интересная и особенная», — говорит она. И пока команда продолжает бурение более глубоких пород, Лиссенберг говорит: «Они становятся все свежее».

Действительно, похоже, что команда уже берет пробы мантийных пород, которые никогда не плавились в магму, которая затем охлаждалась и кристаллизовалась в различные виды коровых пород, говорит Винсент Солтерс, геохимик из Университета штата Флорида. По его словам, сфотографировав скалу в этом месте, исследователи смогут узнать, как тает, течет и разделяется магма, — ключи к работе вулканов по всему миру.

Петролог исследует неповрежденный участок мантийной породы.
В кернах горных пород были прожилки асбеста, что требовало дополнительных мер безопасности.Лесли Андерсон/Антарктическая программа США и IODP

Камни могут также ответить на другие основные вопросы, например, насколько лава, собранная на срединно-океанических хребтах, которую часто принимают за мантию, отличается от самой мантии, говорит Джеймс Дэй, геохимик из Института Скриппса. Океанография. Обилие радиоактивных элементов в горных породах может улучшить оценки того, сколько тепла производит мантия в целом, приводя в движение глубокие конвективные движения, являющиеся двигателем тектоники плит. А их физическая сила может помочь в исследованиях того, как землетрясения разрушаются и распространяются в верхней мантии. Ядра также могут помочь выяснить, насколько хорошо смешана мантия, повторно включающая ингредиенты из континентальной коры, которая втягивается обратно в недра Земли в глубоких океанских желобах. «Это гораздо больше, чем просто понимание маленького кусочка морского дна, — говорит Дэй.

Исследования камней уже начались в лабораториях на борту корабля. ДЖОЙДЕС Резолюция, и в конечном итоге ядра будут доступны в репозиториях IODP для всех. Но все волнения по поводу образцов горных пород также сопровождаются некоторой горечью: экспедиция может стать одной из последних для корабля. В марте Национальный научный фонд (NSF) объявил, что из-за увеличения расходов и отсутствия соглашения с международными партнерами он будет расторжение контракта на эксплуатацию корабля в сентябре 2024 года.

Корабль находится в отличном состоянии и может эксплуатироваться до 2028 года, говорит Энтони Копперс, заместитель вице-президента Орегонского государственного университета и лидер сообщества IODP. По его словам, все еще существует незначительная вероятность того, что Конгресс США профинансирует продление. Но у NSF пока нет планов по разработке корабля-преемника. А два других крупных участника IODP, Европа и Япония, продолжают двигаться вперед. В этом месяце они объявили о создании IODP³, новая глобальная программа бурения который будет активно использовать японское буровое судно D/V чикюкоторый в прошлом работал в основном в водах вблизи Японии.

Это был первый круиз Ланга на ДЖОЙДЕС Резолюция, и она была поражена тем, насколько хорошо оборудованы ее лаборатории и насколько хорошо осведомлен ее технический персонал. Успех, которого они добились, свидетельствует об их многолетнем опыте исследования дна океана, говорит она. «Очень жаль, что что-то вроде этого будет потеряно».