Oli kevätpäivä vuonna 2009, ja John McNeillillä oli tasku täynnä timantteja.
Asiaan liittyvä sisältö
- Maan vesi voi olla yhtä vanha kuin itse maa
- Mitä voimme oppia kaivamalla maan syvän hiilen salaisuudet
- Siellä voi olla toinen massiivinen valtameri syvällä pinnan alla
Hänen tohtorintutkijansa, geokemisti Graham Pearson oli lähettänyt McNeillin Wienin laboratorioon elokuvasäiliöllä, joka räpytti ultrakevyillä timanteilla. Nämä eivät olleet korukaupan kimaltelevia jalokiviä, mutta karkeat, tylsät timantit, jotka olivat räjähtäneet pintaan satojen mailien syvyydessä maapallon vaipassa, nimeltään siirtymävyöhyke Biners, Brasilian Juína-alueella, olivat löytäneet ne useita vuosia ennen . Jalokivikauppiaat olivat siirtäneet pilvisiä kiviä, mutta tutkijoille nämä arvokkaat mineraalit olivat ikkunoita syvään maahan.
Tummennetussa laboratoriossa McNeill kohdisti valonsäteen kiven pinnalle kivin jälkeen mittaamalla timanttien ja niiden epäpuhtauksien hajottaman spektrin - toivoen löytävänsä näistä sulkemisista mineraaleja, jotka voisivat kertoa hänelle, kuinka nämä timantit muodostuivat.
Sen sijaan hän löysi tutkijoille ensimmäiset konkreettiset todisteet siitä, että maassa oli vettä syvällä. Jos satoja maileja maan alle olisi ollut valtava mineraaliin integroituneiden vesimolekyylien varasto, se voisi selittää kuinka sininen planeettamme kehittyi yhdeksi lautasten tektonian ja veden kanssa, ja lopulta siitä tuli asuttava. Prosessin ymmärtäminen ei ole vain historiallista: Mitä enemmän tiedämme siitä, mikä mahdollisti elämän maapallollamme, tutkijat väittävät, sitä enemmän tiedämme asuttavan aseman löytämisestä aurinkokunnan ulkopuolelle.
Tuolloin McNeill oli tutkija Durhamin yliopistossa. Kun hän ja Lutz Nasdala, tutkija, jonka laboratoriossa hän työskenteli, vertasivat yhdessä timanteissa olevan epäpuhtauden luomaa spektriä mineraalitietokantaan, he havaitsivat jotain yllättävää: Timanttiin loukkuun jäänyt vihertävän kristallin mikroskooppinen piikki näytti se voi olla rengaspuuhiili, mineraali, jota oli vain koskaan syntetisoitu laboratorioissa tai löytynyt meteoriiteista. Se ei ollut koskaan esiintynyt maapallon materiaaleissa.
Jos se olisi, se olisi iso juttu. Synteettisen rengaspuuhun tiedettiin kykenevän sisällyttämään vesimolekyylejä rakenteeseensa. Joten tämä maanpäällinen näyte saattaa lopulta pystyä ratkaisemaan vuosikymmeniä kestäneen keskustelun siirtymävyöhykkeelle jääneestä veden määrästä - kerros, joka ulottuu 250–400 mailia kuoren alla - ja miten se pääsi sinne.
1980-luvun lopulla geofysiologi Joseph Smyth Coloradon yliopistosta, Boulder, ennusti, että tietyillä vaipan siirtymävyöhykkeen mineraaleilla voi olla tilaa vesimolekyylien rakenteissa. Mutta koska kukaan ei pystynyt poraamaan niin kaukana siirtymävyöhykkeelle katsomaan suoraan, suurin osa todisteista tästä oli joko teoreettista tai laboratoriokokeiden tulosta. Muut tutkijat olivat eri mieltä siitä, että tapa, jolla maanjäristyksen seismiset aallot liikkuivat pinnan alla - ja syvien maanjäristysten harvemmat - ennustivat kuivaa siirtymävyöhykettä.
McNeillin timantti antoi hernekokoisen ikkunan tähän maapallon keskellä olevaan piilotettuun kerrokseen, jolloin tutkijat saavat välähdyksen planeettamme koostumuksesta.
Noin kaksi vuotta myöhemmin, McNeill oli valmistunut ja Pearson oli muuttanut Durhamin yliopistosta jatkamaan tutkimustaan Albertan yliopistossa Kanadassa. Talvipäivänä 2011 Pearsonin kollega Sergei Matveev ripusti ikkunoimattomassa kellarilaboratoriossa huolellisesti rengaspuuta sisältävää timanttia infrapunamikroskoopin sisällä pienen inkluusion sisällön analysoimiseksi.
Matvejevin kesti muutama tunti timantin asettamiseksi oikealle, jotta hän voisi ottaa mittauksen. Mutta kun hänellä oli se paikoillaan, kesti vain muutaman minuutin saada tulokset: rengaspuuhun sisälsi vettä.
Matveev yritti pysyä rauhallisena, mutta Pearson oli innoissaan. Hän haluaa olla toistamatta sanomansa hetkeä, kun ymmärsi, että teoriaa ja laboratoriokokeita voitaisiin nyt tukea suoraan veden tarkkailuun syvyydestä maan vaipasta.
"Se ei ehkä ole tulostettava", hän sanoo.
Sinertävä rengaspuun kide timanttisolun sisällä. (Steve Jacobsen / Luoteinen yliopisto) McNeill, Pearson ja heidän kollegansa julkaisivat löytönsä Nature- lehdessä vuonna 2014, mutta jäi kysymys: kuinka edustava tämä pieni koko timanttia koko siirtymävyöhykkeellä oli? Kaksi tutkijaa huomauttivat huolellisesti, että heidän paperinsa osoittivat vettä vain vaipan pienessä taskussa, johon tämä timantti oli muodostunut.
Jos tämä pieni rengaspuuvenäyte oli todella edustava, niin siirtymävyöhyke voisi sisältää yhtä paljon vettä kuin kaikki Maan valtameret - mahdollisesti enemmän. Ja jos se niin tapahtuisi, se voisi auttaa selittämään, kuinka levytektoniikka liikkuu muodostaen vuoria ja tulivuoria.
Geofysiikko Steve Jacobsen Luoteis-yliopistosta varoittaa näkemästä tätä vettä Jules Vernen maanalaisina valtamereinä, jotka ovat täynnä meren hirviöitä. Sen sijaan hän vertaa muutosvyöhykkeen vettä kakun maidoon. Nestemäinen maito menee taikinaan, mutta kun kakku tulee ulos uunista, nestemäisen maidon komponentit sisällytetään kakun rakenteeseen - se ei ole enää märkä, mutta se on silti siellä.
Ja Jacobsen ajatteli, että hänellä oli tapa selvittää, kuinka suuri osa tästä vedestä “paistettiin” Pohjois-Amerikan alla olevaan maahan.
Maapallon sisällä uskomattoman kuuma ja hieman viskoosinen kivi liikkuu kohti pintaa, kun taas toisissa se vuotaa kohti ydintä hitaassa virtauksessa, jota kutsutaan konvektioksi. Koska mineraalit, kuten rengaspuuhiili, siirtyvät vaipan korkeammalta alemmalle syvyydelle, korkeat lämpötilat ja paineet vääristävät mineraalin rakennetta. Esimerkiksi sinisen sävyinen rengaspuuhiili alkaa vihreänä kiteinä, jota kutsutaan oliviiniksi pinnan lähellä, muuttuu siirtymävyöhykkeellä rengaspuuhun ja muuttuu bridgmaniitiksi siirtyessään alempaan vaippaan. Mutta toisin kuin rengaspuuhiili, bridgmaniitti ei pidä vettä.
Jacobsen teoriassa, että jos siirtymävyöhykkeellä oleva rengaspuuhiilen sisältäisi todella niin paljon vettä kuin Pearsonin timantti ehdotti, niin vesi vuotaa rengaspuuesta magmana, kun mineraali puristettiin ja lämmitettiin muuttumaan bridgmaniitiksi.
Joten Jacobsen teki rengaspuuhun, joka sisälsi vettä laboratoriossa, puristi sen kahden vinoneliön väliin taskukokoisessa ruudussa, jota kutsuttiin timanttisen alasin puristimella, ja kuumensi sitä suuritehoisella laserilla. Tutkiessaan tuloksia hän huomasi, että korkeat lämpötilat ja paineet olivat todella puristaneet vettä kivistä, luoneet pieniä magman pisaraa.
Jacobsen ajatteli, että jos rengaspuuhedelmä todella oosoi vesirikasta magmaa, kun se painetaan alavaippaan, niin näiden magman laikkujen pitäisi hidastaa maanjäristyksen seismisia aaltoja - luomalla vedelle eräänlainen seisminen merkki.
Joten Jacobsen ryhtyi seismologin Brandon Schmandtin kanssa New Mexico -yliopistosta etsimään näitä allekirjoituksia tietoihin, jotka kerättiin National Science Foundationin mobiili-seismometrien verkossa, nimeltään US Array, joka oli hitaasti siirtymässä itään Pohjois-Amerikan yli. Tutkijat näkivät ennakoidut seismiset hikat juuri sinne, missä he luulivat olevansa - siirtymävyöhykkeen ja Maan alemman vaipan välisellä rajalla.
Yrittäessään kuvailla, mitä nämä tulokset hänelle tarkoittivat, Jacobsen on sanoista tappiollinen. "Se oli todella kohta, jossa tunsin, että tutkimukseni viimeiset 20 vuotta olivat arvokkaita", hän lopulta sanoo. Hän ja Schmandt olivat löytäneet todisteita veden juuttumisesta vaipan siirtymävyöhykkeelle suurimman osan Yhdysvaltojen alla, ja he julkaisivat havaintonsa Science- lehdessä 2014.
Mutta siellä oli edelleen iso sokea piste: kukaan ei tiennyt mistä tämä vesi oli tullut.
Työntekijät ottavat timantteja Brasilian Juinan alueelta. (Graham Pearson / Albertan yliopisto) Syyskuussa 2014 Alexander Sobolev ryhtyi etsimään "tuoreita" näytteitä harvinaisista, 2, 7 miljardin vuoden ikäisistä laavakiveistä, nimeltään komatiites, toivoen saada tietää miten ne muodostuivat.
Sobolev, geokemian professori Grenoble Alpes -yliopistosta Ranskasta, matkusti läpi osan Kanadan Abitibin vihreäkivivyöstä vasaralla - koputti lupaavia näyttäviä komatiiteja ja kuunteli tarkkaan pieniä lyömäsoittimia. Paras niistä kuuluu, hän sanoo, puhtaan ja kauniin äänen.
Sobolev ja hänen kollegansa Nicholas Arndt, myös Grenoble Alpes -yliopistosta, ja Evgeny Asafov Venäjän Vernadsky-geokemiainstituutista keräsivät näiden kivien nyrkkikokoiset palat viedäkseen takaisin Ranskaan. Siellä he murskasivat ne ja uuttivat sisäpuolella sisäkkäin olevat pienet vihreät oliviininjyvät ennen kuin lähettivät oliviinifragmentit Venäjälle kuumennettavaksi yli 2400 asteeseen ja jäähdytettiin sitten nopeasti. He analysoivat oliviiniin jääneitä sulatettuja ja jäähdytettyjä sulkeumia ymmärtääksesi mitä tapahtui magman hajuille heidän ampuessaan vaipan läpi.
Sobolevin joukkue huomasi, että vaikka nämä komatiitit eivät sisältäneet niin paljon vettä kuin Pearsonin rengaspuuhun, näytti siltä, että ne muodostanut magma oli kerännyt ja sisällyttänyt pienen määrän vettä kulkiessaan vaipan läpi - luultavasti kun se kulki siirtymävaiheen läpi. vyöhyke. Tämä tarkoittaisi, että vaipan siirtymävyöhykkeellä oli vettä 2, 7 miljardia vuotta sitten.
Tämä aikapiste on tärkeä, koska on olemassa useita erilaisia - mutta mahdollisesti toisiaan täydentäviä - teorioita siitä, milloin ja miten Maa hankki vetensä ja kuinka tämä vesi pääsi tiensä syvälle vaippaan.
Ensimmäinen teoria kertoo, että nuori planeetta Maa oli liian kuuma pitämään vettä ja että se saapui myöhemmin, vetämällä matkaa märkäihin meteoriiteihin tai komeetoihin. Sitten tämä vesi liukastui vaippaan, kun tektoniset levyt siirtyivät toistensa päälle subduktioksi kutsutussa prosessissa. Toinen teoria sanoo, että vettä on ollut planeetallamme alusta alkaen - toisin sanoen siitä lähtien, kun kaasu- ja pölypilvi yhdistyi muodostamaan aurinkokuntamme 4, 6 miljardia vuotta sitten. Tämä alkeisvesi olisi voinut jäädä loukkuun maan sisällä, ja pystyi jotenkin kestämään nuoren planeetan polttavan lämmön.
Joten jos vesi oli maapallon siirtymävyöhykkeellä 2, 7 miljardia vuotta sitten, Sobolev sanoo, se tarkoittaa, että joko tektonisten levyjen liikkumisen oli pitänyt alkaa paljon aikaisemmin planeetan historiassa kuin tutkijat tällä hetkellä uskovat tai että vesi oli täällä alusta alkaen .
Yksi Lydia Hallis epäilee, että vesi on ollut siellä koko ajan. Glasgow'n yliopiston planeettatutkija Hallis vertasi useita vuosia sitten sitä, mitä hän kutsui veden erilaisiksi "makuiksi" muinaisissa kivissä syvästä vaipasta ja tavallisessa merivedessä. Vaikka subduktio sekoittaa vettä vaipan ylemmille tasoille, syvimmät osat pysyvät suhteellisen koskemattomina.
Vesi koostuu kahdesta vetymolekyylistä ja yhdestä happea. Joskus, kun se sisällytetään kiviin, se koostuu tosiasiallisesti yhdestä vedystä ja yhdestä hapesta, nimeltään hydroksyyliryhmä. Vedyn eri muodoilla tai isotoopeilla on erilaiset molekyylipainot, ja raskaammasta vety-isotoopista tunnetaan deuterium.
Tutkijoiden mielestä syntyvän aurinkojärjestelmän paikassa, jossa maa muodostui, vesi sisälsi paljon säännöllisempää vetyä kuin deuterium. Mutta koska vesi on pysynyt maapallon pinnalla, kevyemmät vetymolekyylit pakenivat avaruuteen helpommin, keskittäen deuteriumin ilmakehäämme ja valtameriä.
Hallis havaitsi, että vedellä, joka on juuttunut Kanadan arktisesta kivistä ja jonka synnyttävät mamanvaipan syvälle magmaan muodostetut magmat, deuterium-vety-suhde oli alhaisempi kuin merivedessä. Suhde näissä kivissä muistutti tarkemmin sitä, mitä tutkijoiden mielestä alkuperämaavesi näytti, mikä viittaa siihen, että vesi oli alusta alkaen maapallon vaipan komponentti.
Tämä ei sulje pois mahdollisuutta, että kosteat avaruuskivet myös tunkeutuivat maahan ja jakoivat osan vesistään. Mutta keskustelu jatkuu. "Näin tiede toimii, " Hallis sanoo. "Olet oikeassa, kunnes joku todistaa sinut väärin."
Timanttiseula-kennoa käytetään simuloimaan olosuhteita syvällä maan sisällä puristamalla näytteitä valtavan paineen avulla. (Steve Jacobsen / Luoteinen yliopisto) Pearson pohti, voisiko deuteriumin ja vedyn välisten suhteiden tutkiminen rengaspuuhun sisällyttämisessä kertoa hänelle lisää siitä, oliko vesi siirtymävyöhykkeellä ensisijainen, oliko se siellä alistumisen seurauksena vai oliko se hiukan molempia.
Hän rekrytoi Mederic Palotin - geokemistin, joka työskentelee parhaillaan Jean Monnet'n yliopistossa Ranskassa - kiillottaa timantti rengaspuun sisällyttämiseen asti, jotta he voisivat analysoida sisälle jääneitä vetymolekyylejä. Se oli riskialtista prosessia. Timantin nostaminen sellaiselta syvyydeltä tarkoitti, että sen sisäpinta oli paljon rasitusta. Timantin leikkaaminen ja kiillotus voivat vahingoittaa sitä ja sen kiinnittymistä korjauskelvottomaan.
Palot oli varovainen. Hän loi eräänlaisen kuivasta jäästä valmistetun jäähdytyselementin, jotta timantti ei ylikuumenisi, kun hän avasi pieniä paloja mineraalin pinnalta laserilla. Jokaisen kiillotus minuutin kuluttua hän vei timantin mikroskooppiin varmistaakseen, että arvokas rengaspuuhedelmällinen lisäys oli edelleen olemassa.
12 tunnin kiillotuksen jälkeen Palot tiesi olevansa lähellä lähestymistapaa. Hän tarkisti timantin mikroskoopin alla klo 23 - melkein siellä. Hän kiillotti vielä minuutin ja tarkisti sitten timantin uudelleen. Sisällyttäminen oli poissa.
Palot etsii kiihkeästi sitä koko päivän, hankaten mikroskoopin ympärillä olevan rengaspuuhiukan, joka on pienempi kuin pölyjyvä.
Hän muistaa sen kauhean tunteen, että joutui soittamaan Pearsonille toimittamaan uutisia siitä, että maan päällä on koskaan muodostunut ainoa näyte rengaspuuhun, joka on koskaan muodostunut.
Mutta Pearson ajatteli jo seuraavaa hanketta. ”Hän sanoi:” Se on peli, tiedämme pelaamme sitä ”, Palot muistelee. Ja sitten Pearson kertoi hänelle, että heillä oli toinen näyte, joka saattaa olla mielenkiintoinen. Hän oli äskettäin tehnyt matkan samalle Brasilian alueelle, josta rengaspuuta sisältävä timantti tuli, ja hän toi takaisin uusia jalokiviä - jokaisessa lupaavia lisäyksiä opiskeluun. Nyt Palot, Pearson, Jacobsen ja muut työskentelevät yhdessä timantin analysoimiseksi entistä syvemmältä vaipan sisällä.
Palotille ja jokaiselle näistä tutkijoista planeetan syvältä nousevien kiteiden tarkastelu on muutakin kuin ainesosien tunnistamista, jotka leivottiin Maahan miljardeja vuosia sitten.
"Tämä koko kohta koskee itse elämää", Palot sanoo. ”Tiedämme, että elämä liittyy läheisesti veteen. Jos tiedämme paremmin vesisyklin, tiedämme paremmin, kuinka elämä syntyi. ”
Ja jos tiedämme, kuinka elämä syntyi planeetaltamme, se voisi mahdollisesti auttaa meitä löytämään elämän - tai elämää ylläpitävät olosuhteet - muilta.
Jacobsen lisää: ”Olemme nyt löytämässä potentiaalisesti asuttavia planeettoja aurinkokunnan ulkopuolelle. Ja mitä enemmän tiedämme asuttava planeetta näyttää, sitä enemmän pystymme tunnistamaan ne. "
Jacobsen sanoo, että heidän etsintään veden syvyydestä maan sisällä ei ole koskaan ollut merkityksellisempää.
Lisätietoja tästä tutkimuksesta ja muusta Deep Carbon Observatoryssa.
