To był wiosenny dzień w 2009 roku, a John McNeill miał kieszeń pełną diamentów.
powiązana zawartość
- Woda na Ziemi może być tak stara jak sama Ziemia
- Czego możemy się nauczyć, odkrywając sekrety głębokiego węgla na Ziemi
- Głęboko pod powierzchnią może znajdować się drugi ogromny ocean
Jego doktorant, geochemik Graham Pearson, wysłał McNeilla do laboratorium w Wiedniu z pojemnikiem z filmem, który grzechotał diamentami „ultradeep”. Nie były to błyszczące klejnoty ze sklepu jubilerskiego, ale szorstkie, tępe diamenty, które eksplodowały w kierunku powierzchni z obszaru setek mil głęboko w płaszczu Ziemi zwanym strefą przejściową Górnicy w brazylijskiej dzielnicy Juina odkryli je kilka lat wcześniej . Jubilerzy przekazali mętne kamienie, ale dla naukowców te cenne minerały były oknami w głąb Ziemi.
W zaciemnionym laboratorium McNeill skierował wiązkę światła na powierzchnię kamienia po kamieniu, mierząc widmo rozproszone przez diamenty i ich zanieczyszczenia - mając nadzieję na znalezienie minerałów w tych wtrąceniach, które mogłyby powiedzieć mu, jak powstały te diamenty.
To, co odkrył, dało naukowcom pierwszy konkretny dowód na to, że głęboko w ziemi jest woda. Gdyby istniał rozległy zbiornik cząsteczek wody zintegrowany z minerałami setki mil pod ziemią, mogłoby to wyjaśnić, w jaki sposób nasza niebieska planeta przekształciła się w jedną z płytową tektoniką i wodą, i ostatecznie stała się mieszkalna. Zrozumienie tego procesu jest nie tylko historyczne: im więcej wiemy o tym, co umożliwiło życie na naszej planecie, naukowcy twierdzą, tym więcej dowiemy się o znalezieniu mieszkania nadającego się do zamieszkania poza naszym Układem Słonecznym.
W tym czasie McNeill był badaczem na Uniwersytecie Durham. Kiedy on i Lutz Nasdala, naukowiec, w którego laboratorium pracował, porównali widmo wytworzone przez zanieczyszczenie jednego z diamentów z bazą minerałów, znaleźli coś zaskakującego: mikroskopijna plamka zielonkawego kryształu uwięziona w diamentie wyglądała jak może to być ringwoodit, minerał, który został zsyntetyzowany tylko w laboratoriach lub znaleziony na meteorytach. Nigdy nie pojawił się w materiale z Ziemi.
Gdyby tak było, to byłaby wielka sprawa. Wiadomo, że syntetyczny ringwoodite może włączać cząsteczki wody do swojej struktury. Ta ziemska próbka może wreszcie być w stanie rozstrzygnąć trwającą dekady debatę na temat ilości wody uwięzionej w strefie przejściowej - warstwy rozciągającej się od 250 do 400 mil pod skorupą - i jak się tam dostała.
Pod koniec lat 80. geofizyk Joseph Smyth z University of Colorado, Boulder przewidział, że niektóre minerały w strefie przejściowej płaszcza mogą mieć miejsce w swoich strukturach na molekuły wody. Ale ponieważ nikt nie mógł wiercić tak głęboko w strefie przejściowej, aby spojrzeć bezpośrednio, większość dowodów na to była albo teoretyczna, albo wynik eksperymentów laboratoryjnych. Inni naukowcy nie zgodzili się, zauważając, że sposób, w jaki fale sejsmiczne trzęsienia ziemi poruszają się pod powierzchnią - oraz częstotliwość występowania głębokich trzęsień ziemi - przewidują strefę przejściową suchą.
Diament McNeilla dostarczył okno wielkości grochu do tej ukrytej warstwy w środku Ziemi, pozwalając badaczom zobaczyć skład naszej planety.
Około dwa lata później McNeill ukończył studia, a Pearson przeniósł się z Uniwersytetu Durham, aby kontynuować badania na University of Alberta w Kanadzie. Pewnego zimowego dnia w 2011 r. W pozbawionym okien laboratorium w piwnicy kolega Pearsona Siergiej Matewiew starannie zawiesił diament zawierający ringwoodit w mikroskopie na podczerwień, aby przeanalizować zawartość drobnego inkluzji.
Matveevowi zajęło kilka godzin, aby odpowiednio ustawić diament, aby mógł dokonać pomiaru. Ale kiedy już go umieścił, zajęło to tylko kilka minut, aby uzyskać ich wyniki: ringwoodite zawierał wodę.
Matveev próbował zachować spokój, ale Pearson był podekscytowany. Wolał nie powtarzać tego, co powiedział, gdy zdał sobie sprawę, że teorię i eksperymenty laboratoryjne można teraz poprzeć bezpośrednią obserwacją wody z głębi płaszcza Ziemi.
„Prawdopodobnie nie można go wydrukować” - mówi.
Niebieskawy kryształ pierścienia w komórce kowadła diamentowego. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson i ich koledzy opublikowali swoje odkrycie w czasopiśmie Nature w 2014 r., Ale pozostało pytanie: jak reprezentatywny był ten malutki diament z całej strefy przejściowej? Dwaj naukowcy uważnie zauważyli, że ich papier dostarczył dowodów na obecność wody tylko w małej kieszeni płaszcza, w którym utworzył się ten diament.
Gdyby ta niewielka próbka ringwooditu była naprawdę reprezentatywna, strefa przejściowa mogłaby zawierać tyle wody, co wszystkie oceany Ziemi - być może więcej. A jeśli tak, to może pomóc wyjaśnić, jak poruszają się tektoniki płyt, tworząc góry i wulkany.
Geofizyk Steve Jacobsen z Northwestern University przestrzega przed wyobrażaniem sobie tej wody jako podziemnych oceanów Juliusza Verne'a wypełnionych potworami morskimi. Zamiast tego porównuje wodę ze strefy przejściowej do mleka w cieście. Płynne mleko trafia do ciasta, ale gdy ciasto wyjdzie z piekarnika, składniki płynnego mleka zostają włączone do struktury ciasta - nie jest już mokre, ale nadal tam jest.
I Jacobsen pomyślał, że ma sposób, aby dowiedzieć się, ile tej wody „wypaliło” się na Ziemi pod Ameryką Północną.
Wewnątrz naszej planety niewiarygodnie gorąca i nieco lepka skała w niektórych miejscach przesuwa się w kierunku powierzchni, podczas gdy w innych płynie w kierunku rdzenia powolnym prądem zwanym konwekcją. Gdy minerały, takie jak ringwoodite, przechodzą z wyższych do niższych głębokości w płaszczu, wysokie temperatury i ciśnienia wypaczają strukturę minerału. Na przykład niebiesko zabarwiony ringwoodit zaczyna się jako zielony kryształ zwany oliwinem w pobliżu powierzchni, przekształca się w ringwoodite w strefie przejściowej i przechodzi w mostgmanit, gdy przechodzi do dolnego płaszcza. Ale w przeciwieństwie do ringwoodite, bridgmanit nie zatrzymuje wody.
Jacobsen wysunął teorię, że jeśli ringwoodite w strefie przejściowej rzeczywiście zawiera tyle wody, ile sugerował diament Pearsona, to woda wypłynie z ringwoodite jak magma, gdy minerał zostanie ściśnięty i podgrzany, aby stać się bridgmanitem.
Więc Jacobsen wykonał ringwoodite, który zawierał wodę w laboratorium, ścisnął go między dwoma diamentami w kieszonkowym imadle zwanym diamentową prasą kowadełkową i podgrzał go laserem o dużej mocy. Kiedy zbadał wyniki, stwierdził, że wysokie temperatury i ciśnienia rzeczywiście wyciskały wodę z kamienia, tworząc maleńkie kropelki magmy.
Jacobsen pomyślał, że jeśli ringwoodit rzeczywiście wylał bogatą w wodę magmę, gdy był wciskany w dolny płaszcz, wówczas te plamy magmy powinny spowolnić fale sejsmiczne trzęsienia ziemi - tworząc rodzaj sejsmicznej sygnatury dla wody.
Dlatego Jacobsen połączył siły z sejsmologiem Brandonem Schmandtem z University of New Mexico, aby wyszukać te podpisy w danych zebranych przez siatkę mobilnych sejsmometrów National Science Foundation o nazwie US Array, która powoli przemieszczała się na wschód przez Amerykę Północną. Naukowcy zobaczyli sejsmiczne czkawkę, którą przewidzieli dokładnie tam, gdzie ich zdaniem - na granicy między strefą przejściową a dolnym płaszczem Ziemi.
Kiedy próbuje opisać, co dla niego znaczyły te wyniki, Jacobsen brakuje słów. „W tym momencie czułem, że ostatnie 20 lat moich badań były warte zachodu”, mówi w końcu. On i Schmandt znaleźli dowody, że woda została uwięziona w strefie przejściowej płaszcza pod większością Stanów Zjednoczonych i opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie Science w 2014 roku.
Ale wciąż był duży ślepy punkt: nikt nie wiedział, skąd pochodzi ta woda.
Pracownicy wydobywają diamenty w regionie Juina w Brazylii. (Graham Pearson / University of Alberta) We wrześniu 2014 r. Aleksander Sobolew postanowił znaleźć „świeże” próbki rzadkich skał lawowych o długości 2, 7 miliarda lat zwanych komatytami, mając nadzieję dowiedzieć się o tym, jak powstały.
Sobolev, profesor geochemii z Grenoble Alpes University we Francji, przedzierał się przez fragment kanadyjskiego pasa Abitibi Greenstone młotkiem, stukając w komatiity, które wyglądały obiecująco, i uważnie słuchając delikatnej perkusji. Najlepsze, jak mówi, zapewniają czysty i piękny dźwięk.
Sobolev i jego koledzy Nicholas Arndt, również z Grenoble Alpes University, oraz Jewgienij Asafow z rosyjskiego Instytutu Geochemii im. Wernadskiego zebrali kawałki skał wielkości pięści, aby zabrać je z powrotem do Francji. Tam zmiażdżyli je i wyodrębnili małe zielone ziarna oliwinu umieszczone w środku, zanim wysłali fragmenty oliwinu do Rosji, aby je podgrzać do ponad 2400 stopni F, a następnie szybko schłodzić. Przeanalizowali stopione i schłodzone wtrącenia uwięzione w oliwinie, aby zrozumieć, co stało się z pióropuszami magmy, gdy strzelały przez płaszcz.
Zespół Sobolewa odkrył, że chociaż te komatiity nie zawierały tyle wody, co ringwoodite Pearsona, wyglądało na to, że magma, która je utworzyła, zebrała i wprowadziła niewielką ilość wody, gdy przepływała przez płaszcz - prawdopodobnie kiedy przechodziła przez przejście strefa. Oznaczałoby to, że strefa przejściowa płaszcza zawierała wodę 2, 7 miliarda lat temu.
Ten punkt czasowy jest ważny, ponieważ istnieje wiele różnych - ale potencjalnie uzupełniających się - teorii na temat tego, kiedy i w jaki sposób Ziemia pozyskała swoją wodę oraz w jaki sposób woda ta przedostała się głęboko do płaszcza.
Pierwsza teoria mówi, że młoda planeta Ziemia była zbyt gorąca, aby zatrzymać wodę, i że przybyła później, podróżując na rozmokłych meteorytach lub kometach. Woda ta wślizgnęła się następnie w płaszcz, gdy płyty tektoniczne przesuwały się nad sobą w procesie zwanym subdukcją. Druga teoria mówi, że woda była na naszej planecie od samego początku - to znaczy odkąd chmura gazu i pyłu zlewała się tworząc nasz Układ Słoneczny 4, 6 miliarda lat temu. Ta pierwotna woda mogła zostać uwięziona wewnątrz Ziemi podczas jej narastania i jakoś udało jej się wytrzymać upał młodej planety.
Więc jeśli woda znajdowała się w strefie przejściowej Ziemi 2, 7 miliarda lat temu, mówi Sobolev, oznacza to, że albo ruch płyt tektonicznych musiał rozpocząć się znacznie wcześniej w historii planety, niż obecnie sądzą naukowcy, lub że woda była tutaj od samego początku .
Lydia Hallis, na przykład, podejrzewa, że woda była tam przez cały czas. Hallis, planetolog z University of Glasgow, kilka lat temu porównała to, co nazywa różnymi „smakami” wody w starożytnych skałach z głębokiego płaszcza i zwykłej wody morskiej. Podczas gdy subdukcja miesza wodę z górnymi poziomami płaszcza, najgłębsze części pozostają względnie nieskazitelne.
Woda składa się z dwóch cząsteczek wodoru i jednej cząsteczki tlenu. Czasami, gdy jest włączony do skał, w rzeczywistości składa się z jednego wodoru i jednego tlenu, zwanego grupą hydroksylową. Różne formy lub izotopy wodoru mają różną masę cząsteczkową, a cięższy izotop wodoru jest znany jako deuter.
Naukowcy uważają, że w miejscu powstającego układu słonecznego, w którym uformowała się Ziemia, woda zawierała znacznie więcej regularnego wodoru niż deuter. Ale ponieważ woda utrzymuje się na powierzchni Ziemi, lżejsze cząsteczki wodoru łatwiej uciekają w przestrzeń kosmiczną, koncentrując deuter w naszej atmosferze i oceanach.
Hallis odkrył, że woda uwięziona w kamieniach z kanadyjskiej Arktyki, które zostały utworzone przez magmę pochodzącą głęboko z płaszcza Ziemi, miała niższy stosunek deuteru do wodoru niż woda morska. Stosunek w tych kamieniach bardziej przypominał, jak według naukowców wyglądała pierwotna woda, sugerując, że woda była składową płaszcza Ziemi od samego początku.
Nie wyklucza to możliwości, że wilgotne skały kosmiczne również uderzyły w Ziemię i podzieliły część swojej wody. Ale debata trwa. „Tak działa nauka”, mówi Hallis. „Masz rację, dopóki ktoś nie udowodni, że się mylisz”.
Komórka kowadła diamentowego służy do symulacji warunków głęboko w Ziemi, ściskając próbki przy użyciu ogromnych ciśnień. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson zastanawiał się, czy zbadanie proporcji między deuterem i wodorem w jego inkluzji z drewna pierścieniowego może powiedzieć mu więcej o tym, czy woda w strefie przejściowej była pierwotna, czy była tam w wyniku subdukcji, czy też była trochę z obu.
Zrekrutował Mederic Palot - geochemik obecnie na Uniwersytecie Jean Monnet we Francji - do polerowania diamentu aż do włączenia pierścienia, aby mogli analizować cząsteczki wodoru uwięzione w środku. To był ryzykowny proces. Podniesienie diamentu z takich głębokości oznaczało, że jego wnętrze było mocno obciążone. Cięcie i polerowanie diamentu może go uszkodzić, a jego włączenie nie do naprawienia.
Palot był ostrożny. Stworzył rodzaj radiatora wykonanego z suchego lodu, aby diament się nie przegrzewał, gdy laserowo golił małe fragmenty powierzchni minerału. Po każdej minucie polerowania zabierał diament do mikroskopu, aby upewnić się, że cenne włączenie pierścienia nadal istnieje.
Po 12 godzinach polerowania Palot wiedział, że zbliża się do włączenia. Sprawdził diament pod mikroskopem o 11 wieczorem - prawie tam. Polerował przez kolejną minutę, a następnie ponownie sprawdził diament. Włączenie zniknęło.
Palot gorączkowo szukał go przez cały dzień, przeszukując obszar wokół mikroskopu w poszukiwaniu plamki ringwooditu mniejszej niż ziarno pyłu.
Pamięta straszne uczucie, że musi zadzwonić do Pearsona, aby przekazać wiadomość, że zniknęła jedyna próbka odkrytego drewna pierścieniowego, która powstała na Ziemi.
Ale Pearson już myślał o kolejnym projekcie. „Powiedział:„ To jest gra, wiemy, że graliśmy w nią ”- wspomina Palot. A potem Pearson powiedział mu, że mieli kolejną próbkę, która może być interesująca. Niedawno odbył podróż do tego samego regionu Brazylii, skąd pochodzi diament zawierający ringwoodite, i przyniósł nowe klejnoty - każdy z obiecującymi wtrąceniami do zbadania. Teraz Palot, Pearson, Jacobsen i inni pracują razem nad analizą diamentu jeszcze głębiej w płaszczu.
Dla Palota i każdego z tych naukowców patrzenie na kryształy wyłaniające się z głębi naszej planety to coś więcej niż tylko identyfikacja składników wypiekanych na Ziemi miliardy lat temu.
„Cały ten punkt dotyczy samego życia” - mówi Palot. „Wiemy, że życie jest ściśle związane z wodą. Jeśli znamy lepiej obieg wody, lepiej wiemy, jak powstało życie. ”
A jeśli wiemy, jak powstało życie na naszej planecie, mogłoby to potencjalnie pomóc nam znaleźć życie - lub warunki podtrzymujące życie - na innych.
Jacobsen dodaje: „Odkrywamy obecnie potencjalnie nadające się do zamieszkania planety poza naszym Układem Słonecznym. Im więcej wiemy o tym, jak wygląda planeta mieszkalna, tym bardziej będziemy w stanie ją rozpoznać. ”
Jacobsen twierdzi, że ich poszukiwania wody głęboko w ziemi nigdy nie były tak istotne.
Dowiedz się więcej o tych badaniach w Deep Carbon Observatory.
