Bil je pomladni dan leta 2009, John McNeill pa je imel žep, poln diamantov.
Sorodne vsebine
- Voda Zemlje je lahko stara toliko kot sama Zemlja
- Kaj se lahko naučimo s kopanjem skrivnosti globokega ogljika na Zemlji
- Globoko pod površjem se lahko pojavi drugi masiven ocean
Njegov doktorski svetovalec, geokemik Graham Pearson, je McNeilla poslal na laboratorij na Dunaj s kanistro s filmom, ki se je zasukala z "ultradeep" diamanti. To niso bili lesketajoči se dragulji draguljarne, vendar so grobi, dolgočasni diamanti, ki so eksplodirali proti površju iz regije, ki je globoka na stotine kilometrov globoko v Zemljinem plašču, imenovano prehodno območje Rudarji v brazilski četrti Juína, odkrili, da jih je pred nekaj leti odkril. . Draguljarji so prehajali na motno kamenje, toda za znanstvenike so bili ti dragoceni minerali okna v globoko Zemljo.
McNeill je v zatemnjenem laboratoriju usmeril žarek svetlobe na površino kamna za kamnom in izmeril spekter, ki ga raztresejo diamanti in njihove nečistoče - v upanju, da bo v teh vključkih našel minerale, ki bi mu lahko povedali, kako nastajajo ti diamanti.
Kar je odkril namesto tega, je znanstvenikom prinesel prve konkretne dokaze, da je bila voda globoko v Zemlji. Če bi bilo ogromno rezervoarja molekul vode integriranih v minerale na stotine kilometrov pod zemljo, bi to lahko razložilo, kako se je naš modri planet razvil v eno s tektoniko plošč in vodo ter sčasoma postal naseljen. Razumevanje tega procesa ni samo zgodovinsko: več ko vemo o tem, kaj je omogočilo življenje na našem planetu, znanstveniki trdijo, bolj bomo vedeli, kako najti bivalno okolje zunaj našega osončja.
McNeill je bil takrat raziskovalec na univerzi Durham. Ko sta z Lutzom Nasdalo, znanstvenikom, v čigar laboratoriju je delal, primerjala spekter, ki ga je ustvaril nečistoča v enem od diamantov z bazo mineralov, sta našla nekaj presenetljivega: mikroskopski kos zelenkastega kristala, ujet v diamant, je bil videti lahko je to ringwoodite, mineral, ki so ga sintetizirali le v laboratorijih ali ga našli na meteoritih. Nikoli se ni prikazal z materiala z Zemlje.
Če bi bil, bi bila velika stvar. Za sintetični ringwoodit je bilo znano, da lahko v svojo strukturo vključi molekule vode. Tako bi lahko ta kopenski vzorec končno uspel rešiti več desetletij razpravo o količini vode, ujetih v prehodnem območju - sloju, ki se razteza od 250 do 400 milj pod skorjo - in kako je prišel do tja.
Konec osemdesetih let je geofizik Joseph Smyth z univerze v Koloradu Boulder napovedal, da bi lahko nekateri minerali v prehodnem območju plašča imeli prostor v svojih strukturah za molekule vode. A ker nihče ni mogel vrtati tako daleč navzgor v prehodno območje, da bi si neposredno ogledal, je bila večina dokazov za to teoretična ali rezultat laboratorijskih eksperimentov. Drugi znanstveniki se niso strinjali, saj so zapisali, da pot potresnih valov pod površjem in pogostost globokih potresov napoveduje suho prehodno območje.
McNeillov diamant je v skrito plast v središču Zemlje ustvaril okno velikosti graha, ki je raziskovalcem omogočil, da si ogledajo sestavo našega planeta.
Približno dve leti je McNeill diplomiral in Pearson se je preselil z univerze Durham, da bi nadaljeval raziskovanje na univerzi Alberta v Kanadi. Nekega zimskega dne leta 2011 je Pearsonov kolega Sergej Matveev v laboratoriju brez oken, ki je bil brez oken, pazljivo suspendiral diamant, ki vsebuje ringwoodite, znotraj infrardečega mikroskopa, da bi analiziral vsebino drobnega vključka.
Matveev je potreboval nekaj ur, da je diamant postavil ravno prav, da je lahko meril. Toda ko ga je postavil na svoje mesto, je trajalo le nekaj minut, da so dobili rezultate: ringwoodite je vseboval vodo.
Matveev je skušal ostati miren, vendar je bil Pearson navdušen. Raje ne ponavlja, kar je rekel v trenutku, ko je ugotovil, da je teorijo in laboratorijske poskuse zdaj mogoče podpreti z neposrednim opazovanjem vode globoko v Zemljinem plašču.
"Morda ga ni mogoče natisniti, " pravi.
Modrikast kristal ringwoodita v celici z diamantno nakovalo. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson in njihovi sodelavci so svoje odkritje objavili v reviji Nature leta 2014, vendar je ostalo vprašanje: kako reprezentativen je bil ta majhen diamant celotnega prehodnega območja? Dva znanstvenika sta pozorno ugotovila, da je njun papir dokazal vodo le v majhnem žepu plašča, kjer se je oblikoval ta diamant.
Če bi bil ta majhen vzorec ringwoodita resnično reprezentativen, bi lahko prehodno območje vsebovalo toliko vode kot ves Zemljin ocean - morda tudi več. In če bi šlo, bi lahko pomagalo razložiti, kako se tektonika plošč giblje, tvorijo gore in vulkane.
Geofizik Steve Jacobsen z univerze Severozahodnjak opozarja na to, da bi si to vodo predstavljali, saj so podzemeljski oceani Julesa Verna napolnjeni z morskimi pošasti. Namesto tega vodo v prehodnem območju poenostavi z mlekom v pogači. Tekoče mleko gre v testo, a ko torta izstopi iz pečice, so sestavni deli tekočega mleka vgrajeni v strukturo pogače - ni več mokro, vendar je še vedno tam.
In Jacobsen je menil, da bi lahko ugotovil, koliko vode je "zavrelo" na Zemljo pod Severno Ameriko.
Znotraj našega planeta se neverjetno vroča in rahlo viskozna skala ponekod premika proti površju, na drugih pa v počasnem toku, imenovanem konvekcija, proti jedru. Ker minerali, kot je ringwoodit, v plašču prehajajo iz višjih v nižje globine, visoke temperature in pritiski uničujejo strukturo minerala. Na primer, modro obrobljen ringwoodit se začne kot zeleni kristal, imenovan olivin blizu površine, metamorfozira v ringwoodite v prehodnem območju in se spremeni v bridgmanit, ko se premakne na spodnjo plašč. Toda za razliko od ringwoodita, bridgmanit ne zadržuje vode.
Jacobsen je teoretiral, da če bi ringwoodite v prehodnem območju resnično vseboval toliko vode, kot je predlagal Pearsonov diamant, bi voda iz ringwoodita iztekla kot magma, ko bi mineral iztisnili in segrevali, da bi postal bridgmanit.
Tako je Jacobsen izdelal ringwoodite, ki je vseboval vodo v laboratoriju, ga stisnil med dva diamanta v žepu v obliki žepka, imenovanega stiskalnica z diamantnim nakovnikom, in ga segrel z močnim laserjem. Ko je pregledal rezultate, je ugotovil, da so visoke temperature in pritiski resnično stisnili vodo iz kamna, kar je ustvarilo drobne kapljice magme.
Jacobsen je menil, da če bi ringwoodite dejansko pritisnil v vodo bogato magmo, ko je bila stisnjena v spodnji plašč, bi morali ti obliži magme upočasniti potresne valove - ustvariti nekakšen potresni podpis za vodo.
Tako se je Jacobsen združil s seizmologom Brandonom Schmandtom z univerze v Novi Mehiki, da bi iskal te podpise v podatkih, ki jih je zbrala mreža mobilnih seizmometrov Nacionalne fundacije za znanost, imenovana ameriška array, ki se je počasi premikala proti vzhodu čez Severno Ameriko. Raziskovalci so videli potresne kolcanje, ki so jih napovedali tam, kjer so mislili, da bodo - na meji med prehodnim območjem in spodnjim plaščem Zemlje.
Ko poskuša opisati, kaj so mu ti rezultati pomenili, je Jacobsen izgubljen zaradi besed. "V resnici sem bil občutek, da je bilo zadnjih 20 let raziskovanja vredno, " končno pravi. On in Schmandt sta našla dokaze, da je bila voda ujeta v prehodnem območju plašča pod večino ZDA, svoje ugotovitve pa so objavili v reviji Science leta 2014.
A še vedno je obstajala velika slepa točka: nihče ni vedel, od kod ta voda.
Delavci pridobivajo diamante v brazilski regiji Juina. (Graham Pearson / Univerza v Alberti) Aleksander Sobolev se je septembra 2014 odločil najti "sveže" vzorce redkih, 2, 7 milijard let starih kamnin lave, imenovanih komatiiti, v upanju, da bo izvedel, kako so nastale.
Sobolev, profesor geokemije z univerze Grenoble Alpes v Franciji, se je s kladivom prebil skozi dele kanadskega pasu zelenega kamna Abitibi - tapkal komatije, ki so bili videti obetavni, in pozorno poslušal kositerne tolkala. Najboljši, pravi, dajejo čist in lep zvok.
Sobolev in njegovi kolegi Nicholas Arndt, prav tako z univerze Grenoble Alpes, in Evgeny Asafov z ruskega Geokemijskega inštituta Vernadskega so zbrali koščke teh kamnin v veliko pest, da bi se odpeljali nazaj v Francijo. Tam so jih zdrobili in izvlekli drobna zelena zrna olivina, ki so jih gnezdili v notranjosti, preden so fragmente olivina poslali v Rusijo, da bi jih segreli na več kot 2400 stopinj F in nato hitro ohladili. Analizirali so staljene in ohlajene vključke, ujete v olivin, da bi razumeli, kaj se je zgodilo s strupi magme, ko so streljali skozi plašč.
Soboljeva ekipa je odkrila, da čeprav ti komatiiti niso vsebovali toliko vode kot Pearsonov zvonec, je videti, kot da je magma, ki jih je tvorila, pobrala in vključila majhno količino vode, ko je potovala skozi plašč - verjetno ob prehodu skozi prehod cono. To bi pomenilo, da je prehodno območje plašča vsebovalo vodo pred 2, 7 milijarde let.
Ta časovna točka je pomembna, ker obstaja več različnih - vendar potencialno dopolnjujočih se - teorij o tem, kdaj in kako je Zemlja pridobila svojo vodo in kako se je ta voda podala globoko v plašč.
Prva teorija pravi, da je bil mladi planet Zemlja prevroč, da bi zadrževal vodo in da je prišel pozneje, tako da je začel voziti po močnih meteoritih ali kometih. Ta voda je nato zdrsnila v plašč, ko so se tektonske plošče med seboj premikale v procesu, imenovanem subdukcija. Druga teorija pravi, da je voda na našem planetu že od začetka, torej od takrat, ko se je oblak plina in prahu združeval v naš sončni sistem pred 4, 6 milijarde let. Ta prvotna voda bi se lahko v času njene akumulacije ujela v Zemljo in nekako uspela prenesti gorečo toploto mladega planeta.
Če je bila voda v Zemljinem prehodnem območju 2, 7 milijarde let nazaj, pravi Sobolev, to pomeni, da se je bodisi gibanje tektonskih plošč moralo začeti veliko prej v zgodovini planeta, kot trenutno mislijo znanstveniki, ali pa je bila voda tu že od samega začetka .
Lydia Hallis za eno sumi, da je bila voda tam ves čas. Hallis, planetarni znanstvenik z univerze v Glasgowu, je pred nekaj leti primerjal to, kar imenuje različne "okuse" vode v starodavnih kamninah iz globokega plašča in v navadni morski vodi. Medtem ko subdukcija meša vodo v zgornjih nivojih plašča, ostanejo najgloblji deli relativno neokrnjeni.
Vodo sestavljata dve molekuli vodika in ena molekula kisika. Včasih, ko je vgrajen v kamnine, dejansko tvori en vodik in en kisik, ki se imenuje hidroksilna skupina. Različne oblike ali izotopi vodika imajo različne molekulske mase, težji vodikov izotop pa je znan kot devterij.
Znanstveniki menijo, da je na mestu v nastajajočem sončnem sistemu, kjer se je oblikovala Zemlja, voda vsebovala veliko bolj pravilnega vodika kot devterij. Ker pa je voda vztrajala na Zemljini površini, so lažje vodikove molekule lažje pobegnile v vesolje in koncentrirale devterij v naši atmosferi in oceanih.
Hallis je ugotovil, da ima voda, ujeta v kamne iz kanadskega Arktika, ki jih je oblikovala magma, ki izvira globoko v Zemljinem plašču, nižje razmerje med devterijem in vodikom kot morska voda. Razmerje v teh kamnih je bolj spominjalo na to, kako znanstveniki menijo, da je izgledala primordialna voda, kar je nakazovalo, da je voda že od samega začetka sestavni del Zemljinega plašča.
To ne izključuje možnosti, da so tudi vlažne vesoljske kamnine prihajale na Zemljo in delile nekaj svoje vode. Toda razprava divja naprej. "Tako deluje znanost, " pravi Hallis, "imaš prav, dokler ti nekdo ne dokaže, da si narobe."
Diamantno-nakovalna celica se uporablja za simuliranje pogojev globoko v Zemlji, stiskanje vzorcev z ogromnimi pritiski. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson se je vprašal, ali bi mu lahko proučitev razmerij med devterijem in vodikom v njegovi vključitvi v ringwoodite povedala več o tem, ali je bila voda v prehodnem območju prvotna, ali je bila tam zaradi podrejanja ali pa je bilo malo obojega.
Zapoklical je Mederic Palot - geokemičarko trenutno na Univerzi Jean Monnet v Franciji - za poliranje diamanta do vključitve ringwoodita, da bi lahko analizirali molekule vodika, ujete v notranjosti. To je bil tvegan postopek. Snemanje diamanta iz takšnih globin je pomenilo, da so bile njegove notranjosti zelo obremenjene. Rezanje in poliranje diamanta ga lahko poškoduje in vključi po popravilu.
Palot je bil previden. Ustvaril je nekakšen hladilnik, ki je narejen iz suhega ledu, da se diamant ne bi pregreval, saj je z laserjem brijal drobne drsnike s površine minerala. Po vsaki minuti poliranja je diamant odnesel na mikroskop, da bi se prepričal, ali je še vedno prišlo do vključitve dragocenega ringwoodita.
Po 12 urah poliranja je Palot vedel, da se bliža vključitvi. Diamant je pod mikroskopom pregledal ob 23. uri - skoraj tam. Še eno minuto je poliral in nato še enkrat preveril diamant. Vključitve ni bilo več.
Palot jo je cel dan mrzlično iskal in preiskal območje okrog mikroskopa, da bi opazil pesek ringwoodita, manjši od zrna prahu.
Spominja se groznega občutka, da je bilo treba poklicati Pearsona, da bi sporočil novico, da ni bilo edinega vzorca ringwoodita, ki je bil kdajkoli odkrit, ki je nastal na Zemlji.
Toda Pearson je že razmišljal o naslednjem projektu. "Rekel je:" To je igra, vemo, da smo se na tem igrali ", se spominja Palot. In potem mu je Pearson povedal, da imajo še en vzorec, ki bi bil lahko zanimiv. Pred kratkim se je odpravil v isto regijo Brazilije, od koder je prišel diamant, ki vsebuje ringwoodite, in prinesel je nove dragulje - vsaka z obetavnimi vključki za študij. Zdaj Palot, Pearson, Jacobsen in drugi sodelujejo pri analiziranju diamanta še globlje znotraj plašča.
Za Palota in vsakega od teh znanstvenikov je gledanje na kristale, ki izhajajo globoko iz našega planeta, več kot prepoznavanje sestavin, ki so jih pred Zemljo vložili pred milijardami let.
"Ta celotna poanta govori o samem življenju, " pravi Palot. »Vemo, da je življenje tesno povezano z vodo. Če bolje poznamo vodni cikel, bolje vemo, kako je nastalo življenje. "
In če vemo, kako je življenje nastalo na našem planetu, bi nam lahko potencialno pomagalo najti življenje - ali pogoje za ohranjanje življenja - na drugih.
Jacobsen doda: "Zdaj odkrivamo potencialno bivalne planete zunaj našega osončja. In bolj ko bomo vedeli, kako izgleda bivalni planet, bolj jih bomo znali prepoznati. "
Njihovo iskanje vode globoko v Zemlji, pravi Jacobsen, nikoli ni bilo bolj pomembno.
Več o tej raziskavi in še več na Observatoriju Deep Carbon.
