Высокое давление может превратить непроницаемые породы в губки

В недрах Земли горные породы постоянно поглощают и выделяют воду, что может иметь широкие последствия. Дегидратация способна вызывать растрескивание пород и провоцировать землетрясения, а на геологических масштабах времени этот круговорот воды может влиять на тектонику плит и движение континентов.

Группа Шмальхольца исследовала, как вода может проникать через непроницаемые породы, например, в мантийных клиньях, глубокой литосфере и нижней коре. Учёные выдвинули гипотезу, что определённые реакции могут создавать в таких породах временную пористость. С помощью математического моделирования гидратации и дегидратации пород при высоком давлении они вывели уравнения для оценки изменения пористости в процессе циркуляции воды.

Предыдущие исследования предполагали, что при очень высоких температурах минералы могут вступать в реакции с образованием более плотных фаз, вытесняя воду и формируя менее плотные, более пористые породы. По мере протекания реакции через породу движется «фронт дегидратации». С другой стороны, некоторые реакции заставляют породы вести себя как сухие губки, впитывая окружающую воду и уплотняясь — этот процесс известен как фронт гидратации.

В данном исследовании, опубликованном в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems, учёные представили одномерные модели для трёх сценариев (один для фронта гидратации и два для фронтов дегидратации), в которых изначально беспористая порода становится временно пористой. При гидратации вода поступает в породу извне, и фронт реакции движется в том же направлении, что и флюид. В сценарии простой дегидратации вода вытекает из породы в окружающую среду, двигаясь навстречу фронту реакции. Во втором сценарии, «дегидратации с притоком», вода выжимается из минералов, а дополнительный флюид поступает, чтобы заполнить образовавшуюся пористость, поэтому движение жидкости совпадает с направлением фронта.

Независимо от направления, движение воды, обусловленное реакциями, создающими пористость, потенциально позволяет ей проникать в окружающие непроницаемые породы. Авторы отмечают, что описание движения воды в недрах Земли — сложная задача, но выведенные ими уравнения создают основу для дальнейших исследований того, как вода управляет геологическими процессами под поверхностью планеты.