Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Количество уходящего в мантию углерода остается спорным вопросом. Планк считает, что ответ во многом зависит от того, куда именно вы смотрите. «Одни зоны субдукции получают много карбонатов, другие — нет, одни — много органического углерода, другие — мало», — замечает она. Также исследовательница делает вывод, что доставка углерода в глубины Земли может быть весьма сложным процессом. Карбонаты и биомасса не такие плотные, как базальт, и имеют тенденцию накапливаться в верхних слоях погружающейся плиты — в той части, которая вряд ли сильно опустится в глубокие темные недра. Планк делает вывод: «Субдукция углерода зависит от случая».

Короче говоря, то, «что уходит вниз», содержит много углерода, отложившегося в коре в виде биомассы и карбонатных минералов, причем значительная его часть, похоже, возвращается обратно наверх. Но самый завораживающий и загадочный этап углеродного цикла — это приключения той доли шестого элемента, которая предпринимает долгое глубокое путешествие в мантию Земли.

Что происходит с углеродом там, внизу?

По мере того как влажные плиты, погружаясь, уносят богатые углеродом минералы и черную биомассу все глубже и глубже, температура становится все выше. Биомолекулы распадаются на более мелкие фрагменты — в основном углекислый газ и метан. Карбонатные минералы также распадаются, отпуская углеродсодержащие молекулы в горячие водные флюиды. Глубинный углерод никогда не остается в одиночестве. Он всегда смешивается с кислородом и водородом; обычно в этой смеси присутствует также некоторое количество натрия, хлора, серы и других элементов.

Вот в чем, однако, загвоздка. Понимание того, что происходит с углеродом в мантии, зависит в первую очередь от понимания того, как ведет себя вода при высоких температурах и давлениях. Но десятилетие назад, когда Обсерватория глубинного углерода только начинала свою работу, вода в мантии была terra incognita. Никто не знал в точности свойств H₂O в условиях экстремальных температуры и давления на глубине сотен километров.

Неизвестным параметром — причем единственным, блокирующим наш путь вперед, — была диэлектрическая постоянная воды, величина ее полярности. Молекулы воды принимают V-образную форму. Центральный атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, расположенными, как уши у Микки Мауса. Водородная сторона молекулы несет положительный электрический заряд, а кислородная заряжена отрицательно, в результате получается полярная молекула. Многие наиболее характерные свойства воды — в частности, ее способность растворять поваренную соль и целый ряд других химических веществ, легкость формирования дождевых капель, твердость льда, капиллярные процессы в стеблях растений — как раз результат этой полярности. Диэлектрическая постоянная — это величина силы разделения на положительный и отрицательный заряд, которая диктует поведение воды.

Мы знали, что диэлектрическая постоянная воды резко меняется в зависимости от температуры и давления, но в начале смелого проекта DCO мы не знали насколько. Без этих сведений было невозможно вычислить основные аспекты глубинных флюидов, например растворимость соли, электрические заряды растворенных молекул или кислотность растворов. Не было возможности также спрогнозировать поведение углерода или любого другого растворенного элемента в мантии Земли. В итоге на майском семинаре 2008 г., который положил начало DCO, было сделано публичное заявление о необходимости восполнить этот пробел в наших знаниях{88}. Автором заявления стал Димитри Сверженски, профессор геохимии в Университете Джонса Хопкинса.

Речь Сверженски продолжалась всего пять минут, но она произвела сильное впечатление. Вскоре состоялся ланч, и за стол рядом со Сверженски села Изабель Даниэль, профессор геохимии из Лионского университета — 1[29]. Ее думы тоже были захвачены свойствами мантийной воды, и она поделилась свежими данными о поведении карбонатных минералов в воде при экстремальных температурах и давлениях — сведениями, которые давали намек на диэлектрическую постоянную воды. Объединившись, Сверженски и Даниэль составили впечатляющий план исследований, который убедил DCO выделить часть ресурсов на изучение глубинной воды. Десятилетие спустя их инициатива привела к революции в нашем понимании глубинного углерода.

Глубинная вода