Bio je proljetni dan 2009. godine, a John McNeill imao je džep pun dijamanata.
Povezani sadržaj
- Voda na Zemlji može biti stara koliko i sama Zemlja
- Što možemo naučiti iskopavanjem tajni dubokog ugljika na Zemlji
- Može postojati drugi masivni ocean duboko ispod površine
Njegov doktorski savjetnik, geokemičar Graham Pearson, poslao je McNeilla u laboratorij u Beču s kanisterom za filmove koji je zveckao "ultradeep" dijamantima. To nisu bili blistavi dragulji draguljarnice, ali grubi, tupavi dijamanti koji su eksplodirali na površinu iz regije stotine kilometara duboke u zemaljskom plaštu nazvanom tranzicijsku zonu Rudari u brazilskom okrugu Juína otkrili su ih nekoliko godina prije, Zlatari su prošli na oblačnom kamenju, ali za znanstvenike su ti dragocjeni minerali bili prozori u duboku Zemlju.
U zamračenoj laboratoriji McNeill je usmjerio snop svjetlosti na površinu kamena nakon kamena, mjereći spektar raspršen dijamantima i njihovim nečistoćama - nadajući se da će u tim uključenjima pronaći minerale koji bi mu mogli reći kako nastaju ovi dijamanti.
Ono što je otkrio umjesto toga dao je znanstvenicima prve konkretne dokaze da je duboko u Zemlji bilo vode. Ako je postojao ogroman rezervoar molekula vode integriran u minerale stotinama kilometara pod zemljom, to bi moglo objasniti kako se naš plavi planet evoluirao u jedno s tektonskom pločom i vodom i s vremenom je postao useljiv. Razumijevanje tog procesa nije samo povijesno: Što više znamo o tome što je omogućilo život na našoj planeti, tvrde znanstvenici, to ćemo više znati o pronalaženju prebivališta izvan našeg Sunčevog sustava.
U to vrijeme McNeill je bio istraživač na Sveučilištu Durham. Kad su on i Lutz Nasdala, znanstvenik u čijem je laboratoriju radio, uspoređivali spektar stvoren nečistoćom u jednom od dijamanata s bazom minerala, otkrili su nešto iznenađujuće: Mikroskopska fleka zelenkastog kristala zarobljena u dijamantu izgledala je kao to bi mogao biti ringwoodit, mineral koji se ikada sintetizirao u laboratorijima ili je pronađen na meteoritima. Nikad se nije pokazao na materijalima sa Zemlje.
Da jest, bila bi velika stvar. Za sintetički ringwoodit se znalo da u svoju strukturu uključuje molekule vode. Tako bi ovaj zemaljski uzorak napokon mogao riješiti višedecenijsku raspravu o količini vode zarobljene u tranzicijskoj zoni - sloju koji se proteže od 250 do 400 milja ispod kore - i kako je dospeo do tamo.
Krajem osamdesetih, geofizičar Joseph Smyth sa Sveučilišta u Coloradu, Boulder je predvidio da bi neki minerali u prijelaznoj zoni plašta mogli imati prostora u svojim strukturama za molekule vode. No, budući da nitko nije mogao izbušiti toliko duboko u tranzicijsku zonu da bi mogao direktno pogledati, većina dokaza za to bila je ili teorijska ili rezultat laboratorijskih eksperimenata. Ostali se znanstvenici nisu složili, primjećujući da je način na koji su potresni valovi potresali ispod površine - i rijetkost dubokih potresa - predvidio suhu tranzicijsku zonu.
McNeillov dijamant pružio je prozor veličine graška u taj skriveni sloj u središtu Zemlje, omogućujući istraživačima da sagledaju sastav naše planete.
Otprilike dvije godine McNeill je diplomirao, a Pearson se preselio sa Sveučilišta Durham kako bi nastavio svoje istraživanje na Sveučilištu Alberta u Kanadi. Jednog zimskog dana 2011. godine, u laboratoriji podruma bez prozora, Pearsonov kolega Sergej Matveev mukotrpno je suspendirao dijamant koji sadrži ringwoodite unutar infracrvenog mikroskopa radi analize sadržaja sitnog uključenja.
Matveevu je trebalo nekoliko sati da postavi dijamant točno kako bi mogao izvršiti mjerenje. Ali kad ga je jednom postavio, trebalo je samo nekoliko minuta da dobiju rezultate: ringwoodit je sadržavao vodu.
Matveev je pokušao ostati miran, ali Pearson je bio uzbuđen. Radije ne ponavlja ono što je rekao onog trenutka kada je shvatio da se teorija i laboratorijski eksperimenti sada mogu potkrijepiti izravnim promatranjem vode duboko u Zemljinom plaštu.
"To se možda nije moguće ispisati", kaže on.
Plavkast kristal ringwoodita unutar ćelije s dijamantskim nakovanima. (Steve Jacobsen / Sveučilište sjeverozapad) McNeill, Pearson i njihovi kolege objavili su svoje otkriće u časopisu Nature 2014. godine, ali ostalo je pitanje: koliko je reprezentativan bio taj maleni dijamant cijele tranzicijske zone? Dvojica znanstvenika pažljivo su primijetila da njihov rad pruža dokaze o vodi samo u malom džepu plašta na kojem se stvorio ovaj dijamant.
Ako je ovaj maleni uzorak ringwoodita uistinu reprezentativan, tada bi tranzicijska zona mogla sadržavati onoliko vode koliko i sve Zemljine okeane - možda i više. A ako to i učini, moglo bi vam pomoći objasniti kako se kreće tektonika ploča tvoreći planine i vulkane.
Geofizičar Steve Jacobsen sa Sveučilišta Severozapadnjak upozorava na predviđanje te vode dok su podzemni oceani Julesa Vernea ispunjeni morskim čudovištima. Umjesto toga, on uspoređuje vodu u prijelaznoj zoni s mlijekom u kolaču. Tečno mlijeko prelazi u tijesto, ali kad kolač izađe iz pećnice, komponente tekućeg mlijeka su ugrađene u strukturu kolača - više nije vlažno, ali još uvijek postoji.
A Jacobsen je mislio da ima načina kako otkriti koliko je vode "ukuhano" u Zemlju ispod Sjeverne Amerike.
Unutar našeg planeta, nevjerojatno vruća i pomalo viskozna stijena na nekim se mjestima kreće prema površini, dok na drugim curi prema jezgri polaganoj struji koja se naziva konvekcija. Kako minerali poput ringwoodita prolaze iz većeg u niže dubine u plaštu, visoke temperature i pritisci osnažuju strukturu minerala. Na primjer, ringwoodit plave boje, započinje poput zelenog kristala koji se naziva olivin blizu površine, metamorfozira u ringwoodit u prijelaznoj zoni i mijenja se u bridgmanit dok se kreće prema donjem plaštu. Ali za razliku od ringwoodita, bridgmanit ne drži vodu.
Jacobsen je teoretizirao da ako ringwoodit u tranzicijskoj zoni doista sadrži toliko vode koliko je predložio Pearsonov dijamant, tada bi voda istisnula iz ringwoodita kao magma kada bi se mineral istisnuo i zagrijavao da bi postao bridgmanit.
Tako je Jacobsen izradio ringwoodit koji je sadržavao vodu u laboratoriju, ugurao ga između dva dijamanta u džepu veličine zuba zvanog preša s dijamantnim nakovom i zagrijao ga snažnim laserom. Kad je pregledao rezultate, ustanovio je da su visoke temperature i pritisci doista istisnuli vodu iz kamena stvarajući sitne kapljice magme.
Jacobsen je smatrao da ako je ringwoodit uistinu upio magmu bogatu vodom dok je bila pritisnuta u donji plašt, onda bi ti flasteri magme trebali usporiti potresne valove - stvarajući neku vrstu seizmičkog potpisa za vodu.
Dakle, Jacobsen se udružio sa seizmologom Brandonom Schmandtom sa Sveučilišta u Novom Meksiku kako bi potražio ove potpise u podacima prikupljenim u mreži mobilnih seizmometra Nacionalne zaklade za znanost nazvanoj američki niz koji se polako kretao na istok preko Sjeverne Amerike. Istraživači su vidjeli seizmičke štucanje koje su predviđali tamo gdje su mislili da će biti - na granici između prijelazne zone i donjeg plašta Zemlje.
Kada pokušava opisati što su mu značili ovi rezultati, Jacobsen je u gubitku zbog riječi. "To je uistinu bio trenutak kada sam osjećao da mi posljednjih 20 godina istraživanja vrijedi", konačno kaže. On i Schmandt pronašli su dokaze da je voda bila zarobljena u prijelaznoj zoni plašta ispod većine Sjedinjenih Država, a svoja su otkrića objavili u časopisu Science 2014. godine.
Ali još uvijek je bilo veliko slijepo mjesto: nitko nije znao odakle ta voda dolazi.
Radnici vade dijamante u brazilskoj regiji Juina. (Graham Pearson / Sveučilište Alberta) U rujnu 2014. Aleksandar Sobolev krenuo je pronaći „svježe“ uzorke rijetkih, 2, 7 milijardi godina starih stijena lave zvane komatiites, nadajući se da će naučiti o tome kako su nastale.
Sobolev, profesor geohemije sa sveučilišta Grenoble Alpes u Francuskoj, prošao je čekićem kroz dijelove kanadskog zelenog pojasa Abitibi, udarao komatije koji izgledaju obećavajuće i pažljivo slušajući limene udaraljke. Najbolji oni, kaže, čine čist i lijep zvuk.
Sobolev i njegovi kolege Nicholas Arndt, također sa Sveučilišta Grenoble Alpes, i Evgeny Asafov s ruskog Geokemijskog instituta Vernadsky sakupili su komade ovih stijena veličine šake kako bi se vratili u Francusku. Tamo su ih drobili i izvadili sićušna zelena zrnca olivina smještena unutra, prije nego što su fragmente olivina poslali u Rusiju da se zagrijavaju na više od 2400 stupnjeva F i potom brzo ohladili. Analizirali su rastopljene i hlađene inkluzije zarobljene u maslini kako bi shvatili što se dogodilo s maglicama dok su pucale kroz plašt.
Soboljev tim otkrio je da iako ti komatiiti ne sadrže toliko vode kao Pearsonov ringwoodite, izgledalo je da je magma koja ih formira pokupila i unijela malu količinu vode dok je putovala kroz plašt - vjerojatno kad je prošao kroz prijelaz zona. To bi značilo da je prijelazna zona plašta sadržavala vodu prije 2, 7 milijardi godina.
Ovaj vremenski trenutak važan je jer postoji niz različitih - ali potencijalno komplementarnih - teorija o tome kada je i kako Zemlja dobila vodu i kako se ta voda probila duboko u plašt.
Prva teorija kaže da je mladi planet Zemlja bio previše vruć da bi zadržao bilo kakvu vodu i da je stigao kasnije, krenuvši u vožnju po vlažnim meteoritima ili kometima. Ta je voda potom pala u plašt kada su se tektonske ploče premještale jedna preko druge u procesu zvanom subdukcija. Druga teorija kaže da je voda bila na našem planetu od početka - to jest otkad se oblak plina i prašine sakupio u naš solarni sustav prije 4, 6 milijardi godina. Ta prvobitna voda mogla je biti zarobljena unutar Zemlje tijekom akumulacije i nekako je uspjela podnijeti goruću toplinu mladog planeta.
Dakle, ako je voda bila u Zemljinoj prijelaznoj zoni prije 2, 7 milijardi godina, kaže Sobolev, to znači da je ili kretanje tektonskih ploča moralo započeti mnogo ranije u povijesti planete nego što znanstvenici trenutno vjeruju, ili je voda bila tu od samog početka,
Lydia Hallis, za jednu, sumnja da je voda bila tu cijelo vrijeme. Hallis, planetarni znanstvenik sa Sveučilišta u Glasgowu, usporedio je ono što ona naziva različitim „okusima“ vode u drevnim stijenama iz dubokog plašta i u redovnoj morskoj vodi prije nekoliko godina. Dok subdukcija miješa vodu u gornjim nivoima plašta, najdublji dijelovi ostaju relativno netaknuti.
Voda se sastoji od dvije molekule vodika i jedne molekule kisika. Ponekad, kad se ugradi u stijene, zapravo se sastoji od jednog vodika i jednog kisika, koji se naziva hidroksilna skupina. Različiti oblici ili izotopi vodika imaju različitu molekularnu težinu, a teži vodikov izotop je poznat kao deuterij.
Znanstvenici misle da je na mjestu u nastajanju Sunčevog sustava gdje se formirala Zemlja voda sadržavala mnogo pravilnije vodik od deuterija. No kako je voda ustrajala na Zemljinoj površini, lakše molekule vodika lakše su izlazile u svemir koncentrirajući deuterij u našu atmosferu i oceane.
Hallis je otkrio da voda zarobljena u kamenju iz kanadskog Arktika koja je formirana magmom koja potječe duboko u zemljinom plaštu ima niži omjer deuterija i vodika u odnosu na morsku vodu. Omjer u tim kamenjem mnogo je sličniji onome što znanstvenici misle da je izgledala primordijalna voda, sugerirajući da je voda sastavni dio Zemljinog plašta od samog početka.
To ne isključuje mogućnost da su vlažne svemirske stijene ušle i u Zemlju i podijelile dio svoje vode. Ali rasprava traje dalje. "Tako funkcionira znanost", kaže Hallis, "u pravu ste, dok vam netko ne dokaže da niste u pravu."
Dijamantna nakovnica koristi se za simulaciju uvjeta duboko u Zemlji, stisnuvši uzorke koristeći ogromne pritiske. (Steve Jacobsen / Sveučilište sjeverozapad) Pearson se pitao može li mu ispitivanje omjera između deuterija i vodika u njegovom ugradnji u ringwoodite reći više o tome je li voda u prijelaznoj zoni bila iskonska, je li to bila posljedica subdukcije ili je bilo malo oboje.
Regrutovao je Mederic Palot - geokemičara trenutno na Sveučilištu Jean Monnet u Francuskoj - da polira dijamant do uključivanja ringwoodita kako bi mogli analizirati molekule vodika zarobljene u njima. Bio je to rizičan proces. Izvlačenje dijamanta s takvih dubina značilo je da su njegove unutrašnjosti bile pod velikim naporom. Rezanje i poliranje dijamanta moglo bi ga oštetiti i njegovo uključivanje nakon popravka.
Palot je bio oprezan. Stvorio je svojevrsni hladnjak od suhog leda da se dijamant ne bi pregrijavao, dok je laserom brijao sićušne klizne s mineralne površine. Nakon svake minute poliranja, uzeo je dijamant na mikroskop kako bi se uvjerio da je dragocjeno spajanje još uvijek tu.
Nakon 12 sati poliranja, Palot je znao da se bliži inkluziji. U 23 sata provjerio je dijamant pod mikroskopom - gotovo tamo. Polirao je još minutu, a zatim ponovno provjerio dijamant. Uključivanja više nije bilo.
Palot ju je žustro tražio čitav dan, pretražujući područje oko mikroskopa kako bi pronašao mrlju od šipka manjeg od zrna prašine.
Sjeća se strašnog osjećaja kad je morao nazvati Pearsona da mu dostavi vijest o tome da je jedini uzorak ringwoodita koji je ikada otkriven nastao na Zemlji.
Ali Pearson je već razmišljao o sljedećem projektu. "Rekao je:" To je igra, znamo da smo se na tome igrali ", prisjeća se Palot. A onda mu je Pearson rekao da imaju još jedan uzorak koji bi mogao biti zanimljiv. Nedavno je otputovao u isti dio Brazila odakle je došao dijamant koji sadrži ringwoodite, a donio je i nove dragulje - svaki s obećavajućim mogućnostima proučavanja. Palot, Pearson, Jacobsen i drugi zajedno rade na analizi dijamanta još dublje u plaštu.
Za Palota i svakog od tih znanstvenika, gledanje kristala koji nastaju duboko u našem planetu više je nego identifikacija sastojaka koji su bili ispečeni na Zemlji prije milijarde godina.
"Cijela ova poanta odnosi se na sam život", kaže Palot. "Znamo da je život usko povezan s vodom. Ako bolje poznajemo vodni ciklus, bolje znamo kako je nastao život. "
A ako znamo kako je život nastao na našem planetu, potencijalno bi nam mogao pomoći da pronađemo život - ili uvjete za održavanje života - na drugima.
Jacobsen dodaje: "Sada otkrivamo potencijalno naseljene planete izvan našeg Sunčevog sustava. I što više znamo o tome kako izgleda useljivi planet, to ćemo ih više moći prepoznati. "
Njihova potraga za vodom duboko u Zemlji, kaže Jacobsen, nikada nije bila relevantnija.
Saznajte više o ovom istraživanju i još mnogo toga na Opservatoriju Deep Carbon.
