Djupt vatten kretslopp

Djuptvattnets kretslopp , eller det geologiska vattnets kretslopp , innebär utbyte av vatten med manteln , med vatten som förs ner genom att subducera oceaniska plattor och återvända genom vulkanisk aktivitet, distinkt från vattnets kretsloppsprocess som sker ovanför och på jordens yta. En del av vattnet når hela vägen till den nedre manteln och kan till och med nå den yttre kärnan . Mineralfysikexperiment visar att vattenhaltiga mineraler kan föra vatten djupt in i manteln i kallare plattor och även "nominellt vattenfria mineraler" kan lagra vatten till ett värde av flera hav.

Processen med djupvattenåtervinning innebär att vatten kommer in i manteln genom att förs ned genom att subducera oceaniska plattor (en process som kallas återgasning) som balanseras av vatten som släpps ut vid åsar i mitten av havet (avgasning). Detta är ett centralt begrepp i förståelsen av det långsiktiga utbytet av vatten mellan jordens inre och exosfären och transporten av vatten bundet i vattenhaltiga mineraler.

Introduktion

I den konventionella synen på vattnets kretslopp (även känd som det hydrologiska kretsloppet ), rör sig vatten mellan reservoarer i atmosfären och jordens yta eller nära ytan (inklusive havet , floder och sjöar , glaciärer och polarisar , biosfären och grundvattnet ). Men förutom ytcykeln spelar vatten också en viktig roll i geologiska processer som når ner i skorpan och manteln . Vattenhalten i magma avgör hur explosivt ett vulkanutbrott är; varmvatten är huvudledningen för ekonomiskt viktiga mineraler för att koncentreras i hydrotermiska mineralavlagringar ; och vatten spelar en viktig roll i bildningen och migrationen av petroleum .

Schematisk beskrivning av tektoniska plattgränser. I texten diskuteras en subduktionsplatta (5); en ö-båge (15) som ligger över en mantelkil; en ås i mitten av havet (12); och en hotspot (3).

Vatten finns inte bara som en separat fas i marken. Havsvatten tränger in i havsskorpan och återfuktar magmatiska bergarter som olivin och pyroxen och omvandlar dem till vattenhaltiga mineraler som serpentiner , talk och brucit . I denna form förs vatten ner i manteln. I den övre manteln , värme och tryck torkar dessa mineraler och frigör mycket av det till den överliggande mantelkilen , vilket utlöser smältningen av sten som reser sig för att bilda vulkaniska bågar . Vissa av de "nominellt vattenfria mineralerna" som är stabila längre ner i manteln kan dock lagra små koncentrationer av vatten i form av hydroxyl (OH ⁻ ), och eftersom de upptar stora volymer av jorden kan de lagra minst lika mycket som världshaven.

Den konventionella synen på havets ursprung är att det fylldes av avgasning från manteln i det tidiga arkeiska havet och manteln har förblivit uttorkad sedan dess. Subduktion leder dock ner vatten i en takt som skulle tömma havet på 1–2 miljarder år. Trots detta har förändringar i den globala havsnivån under de senaste 3–4 miljarder åren bara varit några hundra meter, mycket mindre än det genomsnittliga havsdjupet på 4 kilometer. Således förväntas flödena av vatten in i och ut ur manteln vara ungefär balanserade och vattenhalten i manteln stabil. Vatten som bärs in i manteln går så småningom tillbaka till ytan i utbrott vid och hotspots i mitten av havet . Denna cirkulation av vatten in i manteln och tillbaka är känd som djupvattnets kretslopp eller det geologiska vattnets kretslopp .

Uppskattningar av mängden vatten i manteln varierar från 1 ⁄ 4 till 4 gånger vattnet i havet. Det finns 1,37×10 ¹⁸ m ³ vatten i haven, därför skulle detta tyda på att det finns mellan 3,4×10 ¹⁷ och 5,5×10 ¹⁸ m ³ vatten i manteln. Begränsningar för vatten i manteln kommer från mantelmineralogi, prover av sten från manteln och geofysiska sonder.

Lagringskapacitet

Temperaturberoende på djupet i jordens övre 500 kilometer (svart kurva).

En övre gräns för mängden vatten i manteln kan erhållas genom att beakta mängden vatten som kan bäras av dess mineraler (deras lagringskapacitet) . Detta beror på temperatur och tryck. Det finns en brant temperaturgradient i litosfären där värme färdas genom ledning, men i manteln omrörs berget genom konvektion och temperaturen ökar långsammare (se figur). Fallande plattor har kallare än genomsnittliga temperaturer.

Fasomvandlingar av olivin som rör sig genom den övre manteln , övergångszonen och den nedre manteln. I kärnan kan vatten lagras som väte bundet till järn.

Manteln kan delas in i den övre manteln (över 410 km djup), övergångszon (mellan 410 km och 660 km) och den nedre manteln (under 660 km). Mycket av manteln består av olivin och dess högtryckspolymorfer . Högst upp i övergångszonen genomgår den en fasövergång till wadsleyite , och på cirka 520 km djup förvandlas wadsleyite till ringwoodite , som har spinellstrukturen . På toppen av den nedre manteln sönderfaller ringwoodit till bridgmanit och ferroperiklas .

Det vanligaste mineralet i den övre manteln är olivin. För ett djup av 410 km reviderades en tidig uppskattning av 0,13 viktprocent vatten (vikt%) uppåt till 0,4 viktprocent och sedan till 1 viktprocent. Bärförmågan minskar dock dramatiskt mot toppen av manteln. Ett annat vanligt mineral, pyroxen, har också en uppskattad kapacitet på 1 viktprocent nära 410 km.

I övergångszonen förs vatten av wadsleyit och ringwoodit; under relativt kalla förhållanden på en fallande platta kan de bära upp till 3 viktprocent, medan i de varmare temperaturerna i den omgivande manteln är deras lagringskapacitet cirka 0,5 viktprocent. Övergångszonen är också sammansatt av minst 40 % majorit , en högtrycksfas av granat ; denna har endast en kapacitet på 0,1 viktprocent eller mindre.

Lagringskapaciteten för den nedre manteln är föremål för kontroverser, med uppskattningar som sträcker sig från motsvarande 3 gånger till mindre än 3% av havet. Experimenten har begränsats till tryck som finns i de översta 100 km av manteln och är utmanande att utföra. Resultaten kan vara förspända uppåt av vattenhaltiga mineralinneslutningar och nedåt av ett misslyckande med att upprätthålla vätskemättnad.

Vid höga tryck kan vatten interagera med rent järn för att få FeH och FeO. Modeller av den yttre kärnan förutspår att den kan hålla så mycket som 100 oceaner av vatten i denna form, och denna reaktion kan ha torkat ut den nedre manteln i jordens tidiga historia.

Vatten från manteln

Mantelns bärförmåga är bara en övre gräns, och det finns ingen tvingande anledning att anta att manteln är mättad. Ytterligare begränsningar för mängden och fördelningen av vatten i manteln kommer från en geokemisk analys av utbrutna basalter och xenoliter från manteln.

Basalter

Basalter som bildas vid åsar och hotspots i mitten av havet har sitt ursprung i manteln och används för att ge information om mantelns sammansättning. Magma som stiger till ytan kan genomgå fraktionerad kristallisation där komponenter med högre smältpunkter sedimenterar först, och de resulterande smältorna kan ha vitt varierande vattenhalter; men när liten separation har skett är vattenhalten mellan cirka 0,07–0,6 viktprocent. (Som jämförelse har basalter i bakre bågbassänger runt vulkaniska bågar mellan 1 viktprocent och 2,9 viktprocent på grund av vattnet som kommer från subduktionsplattan.)

Mid-ocean ridge basalts (MORBs) klassificeras vanligtvis efter mängden spårämnen som är oförenliga med de mineraler de lever i. De är uppdelade i "normal" MORB eller N-MORB, med relativt låga mängder av dessa element, och berikad E-MORB. Anrikningen av vatten korrelerar väl med den för dessa element. I N-MORB antas vattenhalten i källmanteln vara 0,08–0,18 viktprocent, medan den i E-MORB är 0,2–0,95 viktprocent.

En annan vanlig klassificering, baserad på analyser av MORBs och havsöbasalter (OIBs) från hotspots, identifierar fem komponenter. Focal zone (FOZO) basalt anses vara närmast den ursprungliga sammansättningen av manteln. Två anrikade slutelement (EM-1 och EM-2) tros uppstå från återvinning av havssediment och OIB. HIMU står för "high-μ", där μ är ett förhållande mellan uran- och blyisotoper ( $μ = 238 U/ 204 Pb$ ). Den femte komponenten är utarmad MORB (DMM). Eftersom vattnets beteende är mycket likt det för grundämnet cesium , används ofta förhållandet mellan vatten och cesium för att uppskatta koncentrationen av vatten i regioner som är källor för komponenterna. Flera studier visar att vattenhalten i FOZO ligger på cirka 0,075 viktprocent, och mycket av detta vatten är sannolikt "ungt" vatten som förvärvats under jordens ansamling. DMM har endast 60 ppm vatten. Om dessa källor tar prov på alla områden i manteln, beror det totala vattnet på deras andel; inklusive osäkerheter varierar uppskattningarna från 0,2 till 2,3 oceaner.

Diamantinneslutningar

Diamant från Juína, Brasilien med ringwooditinneslutningar tyder på närvaro av vatten i övergångszonen.

Mineralprover från övergångszonen och nedre manteln kommer från inneslutningar som finns i diamanter . Forskare har nyligen upptäckt diamantinneslutningar av is-VII i övergångszonen. Ice-VII är vatten i högtryckstillstånd. Närvaron av diamanter som bildades i övergångszonen och innehåller is-VII inneslutningar tyder på att vatten finns i övergångszonen och på toppen av den nedre manteln. Av de tretton is-VII-exempel som hittats har åtta tryck runt 8–12 GPa, vilket spårar bildandet av inneslutningar till 400–550 km. Två inneslutningar har tryck mellan 24 och 25 GPa, vilket indikerar bildandet av inneslutningar vid 610–800 km. Trycken från is-VII-inneslutningarna ger bevis på att vatten måste ha funnits vid den tidpunkt då diamanterna bildades i övergångszonen för att ha fastnat som inneslutningar. Forskare föreslår också att intervallet av tryck vid vilka inneslutningar bildades innebär att inneslutningar existerade som vätskor snarare än fasta ämnen.

En annan diamant hittades med ringwooditinneslutningar. Med hjälp av tekniker inklusive infraröd spektroskopi , Ramanspektroskopi och röntgendiffraktion fann forskare att vattenhalten i ringwooditen var 1,4 viktprocent och drog slutsatsen att bulkvatteninnehållet i manteln var cirka 1 viktprocent.

Geofysiska bevis

Seismisk

Både plötsliga minskningar i seismisk aktivitet och elektricitetsledning indikerar att övergångszonen kan producera hydratiserad ringwoodit. Det USArray är ett långsiktigt projekt som använder seismometrar för att kartlägga manteln som ligger bakom USA. Med hjälp av data från detta projekt visar seismometermätningar motsvarande tecken på smälta i botten av övergångszonen. Smälta i övergångszonen kan visualiseras genom seismiska hastighetsmätningar eftersom kraftig hastighet minskar vid den nedre manteln orsakad av subduktion av plattor genom övergångszonen. Den uppmätta minskningen av seismiska hastigheter korrelerar exakt med den förutsagda närvaron av 1 viktprocent smälta av H ₂ O.

Zoner med ultralåg hastighet (ULVZ) har upptäckts precis ovanför gränsen mellan kärnan och manteln (CMB). Experiment som belyser närvaron av järnperoxid innehållande väte (FeO2Hx) _{överensstämmer}_med förväntningarna på ULVZ. Forskare tror att järn och vatten kan reagera för att bilda FeO ₂ H _x i dessa ULVZ vid CMB. Denna reaktion skulle vara möjlig med växelverkan mellan subduktion av mineraler som innehåller vatten och den omfattande tillförseln av järn i jordens yttre kärna. Tidigare forskning har föreslagit närvaron av partiell smältning i ULVZ, men bildningen av smälta i området kring CMB är fortfarande omtvistad.

Subduktion

När en oceanisk platta går ner i den övre manteln, tenderar dess mineraler att förlora vatten. Hur mycket vatten som går förlorat och när beror på tryck, temperatur och mineralogi. Vatten bärs av en mängd olika mineraler som kombinerar olika proportioner av magnesiumoxid (MgO), kiseldioxid (SiO ₂ ) och vatten. Vid låga tryck (under 5 GPa) inkluderar dessa antigorit , en form av serpentin, och klinoklor (båda bär 13 viktprocent vatten); talk (4,8 vikt%) och några andra mineraler med lägre kapacitet. Vid måttligt tryck (5–7 GPa) inkluderar mineralerna flogopit (4,8 vikt-%), 10Å-fasen (en högtrycksprodukt av talk och vatten, 10–13 vikt-%) och lawsonit (11,5 vikt-%). Vid tryck över 7 GPa finns topas-OH (Al ₂ SiO ₄ (OH) ₂ , 10 vikt%), fasägg (AlSiO ₃ (OH), 11–18 vikt%) och en samling tät vattenhaltig magnesiumsilikat ( DHMS) eller "alfabet" faser såsom fas A (12 vikt%), D (10 vikt%) och E (11 vikt%).

Vattnets öde beror på om dessa faser kan upprätthålla en obruten serie när plattan sjunker. På ett djup av cirka 180 km, där trycket är cirka 6 gigapascal (GPa) och temperaturen runt 600 °C, finns en möjlig "choke point" där stabilitetsregionerna precis möts. Varmare plattor kommer att förlora allt sitt vatten medan kallare plattor leder vattnet vidare till DHMS-faserna. I kallare plattor kan en del av det släppta vattnet även vara stabilt som Is VII.

En obalans i djupvattenåtervinning har föreslagits som en mekanism som kan påverka globala havsnivåer.

Se även

Vidare läsning

Cai, Chen; Wiens, Douglas A.; Shen, Weisen; Eimer, Melodi (2018). "Vatteninmatning till Mariana-subduktionszonen uppskattad från seismiska data från havets botten". Naturen . 563 (7731): 389–392. Bibcode : 2018Natur.563..389C . doi : 10.1038/s41586-018-0655-4 . PMID 30429549 . S2CID 53302516 .
- "Seismisk studie avslöjar enorma mängder vatten som släpas in i jordens inre . " ScienceDaily (Pressmeddelande). 14 november 2018.
Condie, Kent C. (2015). Jorden som ett utvecklande planetsystem (2:a upplagan). Elsevier/Academic Press. s. 114–115. ISBN 978-0-12-803709-6 .
Conrad, CP (28 juni 2013). "Den fasta jordens inverkan på havsnivån" (PDF) . Geological Society of America Bulletin . 125 (7–8): 1027–1052. Bibcode : 2013GSAB..125.1027C . doi : 10.1130/B30764.1 . Hämtad 24 april 2019 .
Faccenda, Manuele (februari 2014). "Vatten i plattan: En trilogi". Tektonofysik . 614 : 1–30. Bibcode : 2014Tectp.614....1F . doi : 10.1016/j.tecto.2013.12.020 .
Harte, B. (5 juli 2018). "Diamantbildning i den djupa manteln: registreringen av mineralinneslutningar och deras fördelning i förhållande till mantelns uttorkningszoner" . Mineralogisk tidskrift . 74 (2): 189–215. doi : 10.1180/minmag.2010.074.2.189 . hdl : 20.500.11820/cf23e2df-beda-48b7-bcf1-d3c69f9a0f6f . S2CID 54867127 . Hämtad 24 april 2019 .
Hirschmann, Marc M. (2006). "Vatten, smältning och jordens djupa H ₂ O-cykel" . Årlig översyn av jord- och planetvetenskaper . 34 : 629-653. Bibcode : 2006AREPS..34..629H . doi : 10.1146/annurev.earth.34.031405.125211 . Hämtad 17 april 2019 .
Houser, C. (augusti 2016). "Globala seismiska data avslöjar lite vatten i mantelövergångszonen" . Earth and Planetary Science Letters . 448 : 94–101. Bibcode : 2016E&PSL.448...94H . doi : 10.1016/j.epsl.2016.04.018 .
Jacobsen, Steven D.; Van Der Lee, Suzan, red. (2006). Jordens djupvattencykel . American Geophysical Union. ISBN 9781118666487 .
Keppler, Hans; Smyth, Joseph R. (2006). Vatten i nominellt vattenfria mineraler . Mineralogical Society of America. ISBN 978-0-939950-74-4 .
Khan, A.; Shankland, TJ (februari 2012). "Ett geofysiskt perspektiv på mantelvatteninnehåll och smältning: Invertering av elektromagnetiska ljuddata med hjälp av laboratoriebaserade elektriska konduktivitetsprofiler". Earth and Planetary Science Letters . 317–318: 27–43. Bibcode : 2012E&PSL.317...27K . doi : 10.1016/j.epsl.2011.11.031 .
Nomura, R; Hirose, K; Uesugi, K; Ohishi, Y; Tsuchiyama, A; Miyake, A; Ueno, Y (31 januari 2014). "Låg kärna-mantel gränstemperatur härledd från solidus av pyrolite". Vetenskap . 343 (6170): 522–5. Bibcode : 2014Sci...343..522N . doi : 10.1126/science.1248186 . PMID 24436185 . S2CID 19754865 .
Ohtani, Eiji; Amaike, Yohei; Kamada, Seiji; Ohira, Itaru; Mashino, Izumi (2016). "21. Stabilitet av vattenhaltiga mineraler och vattenreservoarer i det djupa jordens inre". I Terasaki, Hidenori; Fischer, Rebecca A. (red.). Djup jord: fysik och kemi i den nedre manteln och kärnan . John Wiley & Sons. doi : 10.1002/9781118992487.ch21 . ISBN 9781118992500 .
Roberts Jr., Glenn (15 mars 2018). "Diamanter från djupet: Studie tyder på att vatten kan existera i jordens nedre mantel" . Nyhetscenter (Pressmeddelande). Berkeley Lab . Hämtad 27 mars 2019 .
Rollinson, Hugh R. (2009). Tidiga jordsystem: en geokemisk metod . John Wiley & Sons. s. 177–180. ISBN 97814444308945 .
Smith, Evan M.; Shirey, Steven B.; Richardson, Stephen H.; Nestola, Fabrizio; Bullock, Emma S.; Wang, Jianhua; Wang, Wuyi (1 augusti 2018). "Blå borbärande diamanter från jordens nedre mantel" . Naturen . 560 (7716): 84–87. Bibcode : 2018Natur.560...84S . doi : 10.1038/s41586-018-0334-5 . PMID 30068951 . S2CID 51893056 . Hämtad 24 april 2019 .
Suetsugu, D.; Steinberger, B.; Kogiso, T. (2013). "Mantle Plumes and Hotspots" (PDF) . Referensmodul i jordsystem och miljövetenskap . Elsevier. doi : 10.1016/b978-0-12-409548-9.02868-2 . ISBN 978-0-12-409548-9 . Hämtad 24 april 2019 .
University of California – Riverside (19 oktober 2010). "Jordens djupvattencykel behöver revideras, hävdar geofysiker" . ScienceDaily (Pressmeddelande) . Hämtad 27 mars 2019 .
Yoshino, Takashi; Katsura, Tomoo (30 maj 2013). "Elektrisk ledningsförmåga hos mantelmineraler: vattens roll i konduktivitetsavvikelser". Årlig översyn av jord- och planetvetenskaper . 41 (1): 605–628. Bibcode : 2013AREPS..41..605Y . doi : 10.1146/annurev-earth-050212-124022 .
Woo, Marcus (11 juli 2018). "Jakten på jordens djupa dolda hav" . Quanta Magazine . Hämtad 27 mars 2019 .