Беше пролетен ден през 2009 г. и Джон Макнейл имаше джоб, пълен с диаманти.
Свързано съдържание
- Водата на Земята може да бъде толкова стара, колкото и самата Земя
- Какво можем да научим, като разкопаем тайните на дълбокия въглерод на Земята
- Може да има втори масивен океан дълбоко под повърхността
Докторският му съветник, геохимик Греъм Пиърсън, беше изпратил Макнейл в лаборатория във Виена с каничка за филми, която изтрещя с „свръх дълбоки” диаманти. Това не бяха блестящите скъпоценни камъни в магазин за бижута, но грубите, тъпи диаманти, които избухнаха към повърхността от регион, стотици мили в дълбочината на Земята, наречен преходна зона Миньори в бразилския квартал Юина, ги бяха открили няколко години преди това, Бижутерите бяха преминали върху мътните камъни, но за учените тези скъпоценни минерали бяха прозорци в дълбоката Земя.
В затъмнена лаборатория Макнил насочи лъч светлина върху повърхността на камък след камък, измервайки спектъра, разпръснат от диамантите и примесите им - с надеждата да намери минерали в тези включвания, които биха могли да му кажат как са се образували тези диаманти.
Това, което той откри вместо това, даде на учените първите конкретни доказателства, че дълбоко вътре в Земята има вода. Ако имаше голям резервоар от водни молекули, интегрирани в минерали на стотици мили под земята, това би могло да обясни как нашата синя планета еволюира в една с тектоника на плочите и водата и в крайна сметка става обитаема. Разбирането на този процес не е само историческо: Колкото повече знаем за това, което направи живота възможен на нашата планета, твърдят учените, толкова повече ще знаем за намирането на обитаем извън нашата Слънчева система.
По онова време Макнейл беше изследовател в университета в Дърам. Когато той и Луц Насдала, ученият, в чиято лаборатория той работи, сравниха спектъра, създаден от примес в един от диамантите, с база данни за минерали, те откриха нещо изненадващо: Микроскопично петно от зеленикав кристал, хванат в диаманта, изглеждаше като може да е рингуит, минерал, който някога е бил синтезиран в лаборатории или е открит на метеорити. Никога не се е показвал в материал от Земята.
Ако беше, щеше да е голяма работа. Известно е, че синтетичният рингуит може да включи водни молекули в своята структура. Така че тази наземна проба може най-накрая да успее да уреди десетгодишен дебат за количеството вода, хваната в преходната зона - слой, който се простира от 250 до 400 мили под кора - и как се е стигнало до там.
В края на 80-те години геофизикът Джоузеф Смит от Университета в Колорадо, Боулдър прогнозира, че някои минерали в преходната зона на мантията могат да имат място в структурите си за молекули вода. Но тъй като никой не можеше да пробие толкова далеч в преходната зона, за да погледне директно, повечето доказателства за това бяха или теоретични, или резултат от лабораторни експерименти. Други учени не са съгласни, отбелязвайки, че начинът, по който сеизмичните вълни на земетресение се движеха под повърхността - и честотата на дълбоките земетресения - предсказваше зона на сух преход.
Диамантът на Макнейл осигури прозорец с размер на грах в този скрит слой в центъра на Земята, което позволява на изследователите да видят състава на нашата планета.
Около две години по-късно Макнейл се е дипломирал и Пиърсън се е преместил от университета в Дърам, за да продължи изследванията си в университета в Албърта в Канада. В един зимен ден през 2011 г. в лаборатория за мазета без прозорци колегата на Pearson Сергей Матвеев старателно спря диаманта, съдържащ рингуит, вътре в инфрачервен микроскоп, за да анализира съдържанието на мъничкото включване.
На Матвеев бяха необходими няколко часа, за да позиционира диаманта точно, за да може да направи измерване. Но след като го постави на място, бяха нужни само няколко минути, за да получат резултатите им: рингуитът съдържаше вода.
Матвеев се опита да запази спокойствие, но Пиърсън беше развълнуван. Той предпочита да не повтаря това, което каза в момента, в който разбра, че теорията и лабораторните експерименти вече могат да бъдат подкрепени от пряко наблюдение на водата от дълбоката земна мантия.
„Вероятно не може да бъде отпечатан“, казва той.
Синкав кристал от ринговит вътре в диамант-наковалня. (Стив Якобсен / Северозападния университет) McNeill, Pearson и техните колеги публикуваха откритието си в списание Nature през 2014 г., но остава въпросът: доколко представителният беше този мъничък диамант на цялата преходна зона? Двамата учени внимаваха да отбележат, че хартията им предоставя доказателства за вода само в малкия джоб на мантията, където се е образувал този диамант.
Ако тази мъничка проба от рингуит беше наистина представителна, тогава преходната зона може да съдържа толкова вода, колкото всички земни океани - вероятно повече. И ако това стане, това може да помогне да се обясни как се движи тектоника на плочите, образувайки планини и вулкани.
Геофизикът Стив Якобсен от Северозападния университет предупреждава да не се предвижда тази вода, тъй като подземните океани на Жул Верн са пълни с морски чудовища. Вместо това той оприличава водата в преходната зона с млякото в торта. Течното мляко влиза в тестото, но след като тортата излезе от фурната, компонентите на течното мляко са включени в структурата на тортата - вече не е мокро, но все още е там.
И Якобсен смяташе, че има начин да разбере колко голяма част от тази вода е "изпечена" в Земята под Северна Америка.
Вътре в нашата планета невероятно гореща и леко вискозна скала се движи към повърхността на някои места, докато на други тя тече към ядрото при бавен ток, наречен конвекция. Тъй като минерали като рингуит преминават от по-високи към по-ниски дълбочини в мантията, високите температури и налягания изкривяват структурата на минерала. Синьоокият пръстен, например, започва като зелен кристал, наречен оливин близо до повърхността, метаморфозира до рингуит в преходната зона и се променя в бриджманит, докато се придвижва към долната мантия. Но за разлика от ринговита, мостът не поддържа вода.
Якобсен теоретизира, че ако пръстенът в преходната зона наистина съдържа толкова вода, колкото диамантът на Пиърсън, тогава водата би изтичала от ринговита като магма, когато минералът се изтласка и загрее, за да стане мост.
Така Якобсен направи рингуит, който съдържаше вода в лабораторията, стисна го между два диаманта в джобен порок, наречен преса за диамантени наковалници, и го нагрее с мощен лазер. Когато разгледа резултатите, той откри, че високите температури и налягането наистина са изтръгнали водата от камъка, създавайки мънички капчици магма.
Якобсен смяташе, че ако рингуитът действително издува богата на вода магма, докато се натиска в долната мантия, тогава тези петна от магма трябва да забавят сеизмичните вълни на земетресението - създавайки един вид сеизмичен знак за водата.
Така Якобсен си партнира със сеизмолога Брандън Шманд от Университета на Ню Мексико, за да търси тези подписи в данните, събрани от мрежата на мобилните сеизмометри на Националната научна фондация, наречена Американски масив, който бавно се движеше на изток през Северна Америка. Изследователите видяха сеизмичните хълцания, които прогнозираха точно там, където мислеха, че ще бъдат - на границата между преходната зона и долната мантия на Земята.
Когато се опитва да опише какво значат тези резултати за него, Якобсен изгубва думи. „Това беше наистина моментът, в който почувствах, че последните 20 години от изследванията ми са полезни“, казва той накрая. Двамата с Шманд са открили доказателства, че водата е била в капан в преходната зона на мантията под по-голямата част от Съединените щати и те са публикували своите открития в списание Science през 2014 г.
Но все още имаше голямо сляпо петно: никой не знаеше откъде идва тази вода.
Работници извличат диаманти в района на Джуйна в Бразилия. (Греъм Пиърсън / Университет в Алберта) През септември 2014 г. Александър Соболев се зае да открие „пресни“ образци от редки, 2, 7 милиарда годишни скални лави, наречени коматити, надявайки се да научат как са се образували.
Соболев, професор по геохимия от университета в Гренобъл Алпи във Франция, си проби път с чук на части от каменния пояс на Абитиби в Канада - потупваше коматити, които изглеждаха обещаващи, и слушаше внимателно калайдисаната удар. Най-добрите, според него, издават чист и красив звук.
Соболев и колегите му Никола Арнд, също от университета в Гренобъл Алпи, и Евгений Асафов от руския Геохимичен институт на Вернадски събраха парчета от тези скали в юмрук, за да се върнат обратно във Франция. Там ги смачкаха и извадиха мъничките зелени зърна от оливин, сгушени вътре, преди да изпратят фрагментите от оливин в Русия, за да се нагреят до повече от 2400 градуса F и след това бързо да се охладят. Те анализираха разтопените и охладени включвания, хванати във вътрешността на оливина, за да разберат какво се е случило с пъпките магма, докато те се изстреляха през мантията.
Екипът на Соболев откри, че макар тези коматити да не съдържат толкова много вода, колкото Пирсъновата пръстен, изглежда, че магмата, която ги е образувала, е взела и е включила малко количество вода, докато е пътувала през мантията - вероятно, когато е преминала през прехода зона. Това би означавало, че преходната зона на мантията е съдържала вода преди 2, 7 милиарда години.
Този момент е важен, тъй като има редица различни - но потенциално допълващи се - теории за това кога и как Земята е придобила водата си и как тази вода е проникнала дълбоко в мантията.
Първата теория гласи, че младата планета Земя е била твърде гореща, за да задържа каквато и да е вода и че е пристигнала по-късно, придвижвайки се по мокри метеорити или комети. След това тази вода се плъзна в мантията, когато тектоничните плочи се движеха една върху друга в процес, наречен поглъщане. Втората теория гласи, че водата е била на нашата планета от самото начало - тоест откакто облак газ и прах се сляха и образуваха слънчевата ни система преди 4, 6 милиарда години. Тази изначална вода можеше да бъде хваната в Земята по време на нейното натрупване и по някакъв начин успя да устои на парещата жега на младата планета.
Така че, ако водата е била в зоната на прехода на Земята преди 2, 7 милиарда години, казва Соболев, това означава, че или движението на тектонските плочи е трябвало да е започнало много по-рано в историята на планетата, отколкото учените вярват в момента, или че водата е била тук от самото начало,
Лидия Холис, например, подозира, че водата е била там през цялото време. Холис, планетарен учен от университета в Глазгоу, сравни това, което тя нарича различните „аромати“ на водата в древни скали от дълбоката мантия и в обикновената морска вода преди няколко години. Докато субдукцията смесва вода в горните нива на мантията, най-дълбоките части остават сравнително девствени.
Водата се състои от две молекули водород и една молекула кислород. Понякога, когато е вграден в скали, той всъщност е съставен от един водород и един кислород, наречени хидроксилна група. Различните форми или изотопи на водорода имат различни молекулни тегла, а по-тежкият водороден изотоп е известен като деутерий.
Учените смятат, че на мястото в зараждащата се слънчева система, където се е образувала Земята, водата съдържа много по-редовен водород от деутерия. Но тъй като водата се запазва на земната повърхност, по-леките молекули на водорода избягат в космоса по-лесно, концентрирайки деутерий в нашата атмосфера и океани.
Холис откри, че водата, хваната в камъни от канадския Арктика, които са образувани от магма, произхождаща дълбоко в земната мантия, има по-ниско съотношение на деутерий и водород в сравнение с морската вода. Съотношението в тези камъни по-скоро приличаше на това, което учените смятат, че първоначалната вода е изглеждала, предполагайки, че водата е компонент на земната мантия от самото начало.
Това не изключва възможността влажните космически скали също да проникнат в Земята и да споделят част от водата си. Но дебатът бушува. „Така работи науката - казва Холис. - Прав сте, докато някой не ви докаже, че грешите.“
Диамантено-наковална клетка се използва за симулиране на условия дълбоко вътре в Земята, притискане на проби с помощта на огромен натиск. (Стив Якобсен / Северозападния университет) Пиърсън се зачуди дали изследването на съотношенията между деутерий и водород в неговото включване на рингудит може да му каже повече за това дали водата в преходната зона е изначална, дали е там в резултат на поглъщане или е малко и от двете.
Той набира „Медерик Палот“ - геохимик, който в момента е в университета „Жан Моне“ във Франция, за да полира диаманта до включването на рингуита, за да могат да анализират молекулите на водорода, хванати вътре. Това беше рисков процес. Извличането на диамант от такива дълбочини означаваше, че вътрешностите му са били под много напрежение. Рязането и полирането на диаманта може да го повреди и да се включи след ремонт.
Палот беше внимателен. Той създаде един вид радиатор, направен от сух лед, така че диамантът да не се прегрява, докато бръсне малки ластици от повърхността на минерала с лазер. След всяка минута на полиране той отнесе диаманта на микроскоп, за да се увери, че скъпоценното включване на камшик все още е там.
След 12 часа полиране, Палот разбра, че се приближава до включването. Той провери диаманта под микроскоп в 23:00 - почти там. Полира още минута и след това отново провери диаманта. Включването го нямаше.
Палот неистово го търсеше цял ден, търсейки района около микроскопа за петънце камшик, по-малък от зърно прах.
Той си спомня ужасното чувство, че трябва да се обади на Пиърсън, за да предаде новината, че единствената проба рингуит, открита някога, която се е образувала на Земята, е изчезнала.
Но Пиърсън вече обмисляше следващия проект. „Той каза:„ Това е игра, знаем, че сме заложили на това “, спомня си Палот. И тогава Пиърсън му каза, че имат друга проба, която може да е интересна. Наскоро той беше пътувал до същия регион на Бразилия, откъдето идва диамантът, съдържащ пръстен, и той върна нови скъпоценни камъни - всеки с обещаващи включвания за изучаване. Сега, Palot, Pearson, Jacobsen и други работят заедно, за да анализират диамант от още по-дълбоко в мантията.
За Палот и всеки от тези учени разглеждането на кристали, които изникват дълбоко в нашата планета, е повече от идентифициране на съставките, изпечени в Земята преди милиарди години.
„Цялата тази тема е свързана със самия живот“, казва Палот. „Знаем, че животът е тясно свързан с водата. Ако знаем по-добре водния цикъл, знаем по-добре как е възникнал животът. “
И ако знаем как животът е възникнал на нашата планета, това потенциално може да ни помогне да намерим живот - или поддържащи живота условия - за другите.
Якобсен добавя: „Сега откриваме потенциално обитаеми планети извън нашата Слънчева система. И колкото повече знаем за това как изглежда обитаема планета, толкова повече ще можем да ги разпознаем. "
Търсенето на вода дълбоко в Земята, според Якобсен, никога не е било по-уместно.
Научете за това изследване и повече в Обсерваторията на дълбоките въглеродни емисии.
