See oli 2009. aasta kevadpäev ja John McNeillil oli tasku teemante täis.
Seotud sisu
- Maa vesi võib olla sama vana kui Maa ise
- Mida saame õppida Maa sügava süsiniku saladuste üles kaevamisel
- Pinna all võib olla teine massiivne ookean
Tema doktorikraadi nõunik, geokeemik Graham Pearson oli saatnud McNeilli Viini laborisse filmikanistriga, mis kallas ultra-sügavate teemantidega. Need polnud juveelikaupluse säravad kalliskivid, vaid töötlemata, tuhmid teemandid, mis olid pinna poole plahvatanud Maa vahevööst sadade miili sügavuses asuvas piirkonnas, mida nimetatakse siirdetsooniks Brasiilia Juína rajooni kaevurites, olid need juba mitu aastat varem avastanud. . Juveliirid olid häguseid kive edasi andnud, kuid teadlaste jaoks olid need hinnalised mineraalid aknad sügavasse Maale.
Pimendatud laboris suunas McNeill kivi pinnale kivi pinnale valguskiire, mõõtes rombide ja nende lisandite hajutatud spektrit - lootes neis kandmistes leida mineraale, mis võiksid talle öelda, kuidas need teemandid moodustusid.
See, mille ta avastas, andis teadlastele esimesed konkreetsed tõendid, et Maa sees oli vesi sügaval. Kui sadade miilide kauguselt maa peal oleks mineraalidesse integreeritud tohutu veemolekulide reservuaar, võiks see selgitada, kuidas meie sinine planeet kujunes plaatektoonika ja veega üheks ning muutus lõpuks elamiskõlblikuks. Selle protsessi mõistmine pole lihtsalt ajalooline: mida rohkem me teame sellest, mis meie planeedil elu võimalikuks tegi, väidavad teadlased, seda rohkem saame teada elamiskõlbliku protsessi leidmisest väljaspool meie päikesesüsteemi.
Sel ajal oli McNeill Durhami ülikooli teadur. Kui ta koos Lutz Nasdalaga, kelle laboris ta töötas, võrdles ühes teemandis sisalduva lisandi spektrit mineraalide andmebaasiga, leidsid nad midagi üllatavat: teemandi sisse lõksunud roheka kristalli mikroskoopiline täpp nägi välja selline: see võib olla ringwoodiit, mineraal, mida oli kunagi laboratooriumides sünteesitud või leitud meteoriitidest. Seda polnud Maalt pärit materjalides kunagi näidatud.
Kui see oleks nii, oleks see suur asi. Sünteetiline ringwoodiit oli teadaolevalt võimeline selle struktuuri sisse viima veemolekule. Nii et see maapealne proov võib lõpuks suuta lahendada aastakümneid kestnud arutelu üleminekutsooni - kihi, mis ulatub maakoore alla 250–400 miili - lõksus oleva vee koguse ja kuidas see sinna jõudis.
1980. aastate lõpus ennustas Boulder, Colorado ülikooli geofüüsik Joseph Smyth, et teatud vahevöö siirdetsooni mineraalide struktuurides võib olla ruumi veemolekulide jaoks. Kuid kuna keegi ei saanud nii kaugele siirdetsooni puurida, et otsest pilku pöörata, oli suurem osa tõenditest selle kohta kas teoreetiline või laboratoorsete katsete tulemus. Teised teadlased ei nõustunud sellega, märkides, et maavärina seismiliste lainete liikumine pinna all ja sügavate maavärinate sagedus ennustasid kuiva üleminekuala.
McNeilli teemant esitas hernesuuruse akna sellesse peidetud kihti Maa keskel, võimaldades teadlastel pilguheit meie planeedi koostisele.
Umbes kaks aastat hiljem oli McNeill lõpetanud ja Pearson kolis Durhami ülikoolist, et jätkata teadustööd Kanada Alberta ülikoolis. 2011. aasta talvepäeval riputas Pearsoni kolleeg Sergei Matvejev akendeta keldrikorruse laboratooriumis valusalt infrapuna-mikroskoobi sisse ringwoodiiti sisaldava teemandi, et analüüsida pisikese kaasamise sisu.
Teemandi õigesse asendisse seadmiseks kulus Matvejevil paar tundi, et ta saaks mõõta. Kuid kui ta selle juba paika sai, kulus tulemuste saamiseks vaid mõni minut: ringwoodiit sisaldas vett.
Matveev üritas jääda rahulikuks, kuid Pearson oli vaimustuses. Ta eelistab mitte korrata seda, mida ta ütles, kui sai aru, et teooriat ja laboratoorseid katseid saab nüüd toetada Maa vahevööst sügavamal asuva vee otsese vaatlusega.
"Võimalik, et see pole prinditav, " ütleb ta.
Teemant-alasi raku sees asuv ringwoodiidi sinakas kristall. (Steve Jacobsen / Loodeülikool) McNeill, Pearson ja nende kolleegid avaldasid oma avastuse ajakirjas Nature 2014. aastal, kuid jäi küsimus: kui esindav oli see kogu üleminekutsooni pisike teemant? Kaks teadlast panid tähelepanelikult tähele, et nende paberil oli tõendeid vee kohta vaid vahevöö väikeses taskus, kuhu see teemant oli tekkinud.
Kui see pisike ringwoodiitproov oli tõeliselt esinduslik, võis siirdetsoon sisaldada sama palju vett kui kõik Maa ookeanid - võib-olla rohkem. Ja kui see toimiks, võib see aidata selgitada, kuidas plaatide tektoonika liigub, moodustades mägesid ja vulkaane.
Loodeülikooli geofüüsik Steve Jacobsen hoiatab, et see vesi poleks ette nähtud kui Jules Verne'i maa-alused ookeanid, mis on täidetud merekoletistega. Selle asemel võrdleb ta üleminekutsoonis vett koogi piimaga. Vedel piim läheb taignasse, kuid kui kook ahjust välja tuleb, integreeritakse vedela piima komponendid koogi struktuuri - see pole enam märg, kuid on siiski alles.
Ja Jacobsen arvas, et tal on võimalus teada saada, kui palju sellest veest Põhja-Ameerika maakerasse “küpsetati”.
Meie planeedi sees liigub mõnes kohas uskumatult kuum ja kergelt viskoosne kivim pinna poole, teistes aga suubub see tuuma suunas aeglases voolus, mida nimetatakse konvektsiooniks. Kuna mineraalid, näiteks ringwoodiit, siirduvad vahevööst kõrgemale madalamale, sügavad temperatuurid ja rõhud mineraali struktuuri. Näiteks sinise varjundiga ringwoodiit algab pinna lähedal rohelise kristallina, mida nimetatakse oliviiniks, metamorfoosid muutuvad tsoonis ringwoodiidiks ja muutuvad alumisse vahevöösse liikudes bridgmaniidiks. Kuid erinevalt ringwoodiidist ei hoia bridgmaniit vett.
Jacobsen teoreetiliselt väitis, et kui üleminekupiirkonnas olev ringwoodiit sisaldas tõesti nii palju vett, kui Pearsoni teemant soovitas, siis voolab vesi ringwoodiitist magmaks, kui mineraal pigistatakse ja kuumutatakse, et saada bridgmaniidiks.
Nii valmistas Jacobsen laboris vett sisaldava ringwoodiidi, pigistas selle kahe teemandi vahele taskukujulises teipis, mida nimetatakse teemandi alasi pressiks, ja kuumutas seda suure võimsusega laseriga. Tulemusi uurides leidis ta, et kõrge temperatuur ja rõhk pigistasid kivi tõepoolest vett, luues pisikesi magmapiiska.
Jacobsen arvas, et kui ringwoodiit eraldas madalamasse vahevöösse surudes tegelikult vesirikast magmat, peaksid need magmakohad aeglustama maavärina seismilisi laineid - luues vee jaoks omamoodi seismilise signaali.
Nii kutsus Jacobsen kokku New Yorgi ülikooli seismoloogi Brandon Schmandtiga, et otsida neid allkirju Rahvusliku Teadusfondi mobiilsete seismomeetrite ruudustiku, mida nimetatakse USA massiiviks, mis kogu aeglaselt idas üle Põhja-Ameerika liikus, kogutud andmetest. Teadlased nägid seismilisi luksumisi, mida nad ennustasid otse sinna, kus nad arvasid, et asuvad üleminekupiirkonna ja Maa madalama vahevööndi vahelisel piiril.
Kui ta proovib kirjeldada, mida need tulemused tema jaoks tähendasid, on Jacobsen sõnadega kaotuses. "See oli tõepoolest punkt, kus ma tundsin, et minu uurimistöö viimased 20 aastat on väärt, " ütleb ta lõpuks. Tema ja Schmandt olid leidnud tõendeid, et vesi oli lõksus vahevöö siirdetsoonis suurema osa Ameerika Ühendriikide all, ja nad avaldasid oma järeldused ajakirjas Science 2014. aastal.
Kuid ikkagi oli suur pimeala: keegi ei teadnud, kust see vesi on tulnud.
Töötajad kaevandavad teemante Brasiilia Juina piirkonnas. (Graham Pearson / Alberta ülikool) Aleksander Sobolev asus 2014. aasta septembris otsima haruldaste, 2, 7 miljardit aastat vanade laavakivimite, värskete proovidena, mida nimetatakse komatiitideks, lootes saada teada, kuidas need moodustusid.
Prantsusmaal asuva Grenoble Alpesi ülikooli geokeemia professor Sobolev tegi haamriga läbi Kanada Kanada Abitibi rohelise kivi vöö osa - koputas lootustandvatele komatiitidele ja kuulas tähelepanelikult kõhnaid löökpille. Parimad teevad tema sõnul puhta ja ilusa heli.
Sobolev ja tema kolleegid Nicholas Arndt, samuti Grenoble Alpesi ülikoolist, ja Jevgeni Asafov Venemaa Vernadsky geokeemia instituudist kogusid nende kivimite rusikasuurusi tükke, et neid Prantsusmaale tagasi viia. Seal nad purustasid nad ja ekstraheerisid seal pesitsetud pisikesed rohelised oliviini terad enne saatmist Venemaale, et neid kuumutada temperatuurini üle 2400 kraadi ja seejärel kiiresti jahutada. Nad analüüsisid oliviini sisse lõksus olnud sulatatud ja jahutatud sisestusi, et mõista, mis juhtus magma pisaratega, kui nad vahevööst üles tulistasid.
Sobolevi meeskond avastas, et kuigi need komatiidid ei sisaldanud nii palju vett kui Pearsoni ringwoodiit, nägi see välja, nagu neid moodustanud magma oli vahevööst läbi liikudes selle sisse võtnud ja kaasanud väikese koguse vett - tõenäoliselt siis, kui see möödus üleminekuajast tsooni. See tähendaks, et vahevöö siirdetsoon sisaldas vett 2, 7 miljardit aastat tagasi.
See ajahetk on oluline, kuna on olemas palju erinevaid - kuid potentsiaalselt üksteist täiendavaid - teooriaid selle kohta, millal ja kuidas Maa oma vee omandas ning kuidas see vesi oma tee sügavale vahevöösse viis.
Esimene teooria ütleb, et noor planeet Maa oli liiga kuum, et vett koguda, ja et see saabus hiljem, pidades silmas sõitu märgade meteoriitide või komeetide peal. Seejärel libises see vesi vahevöösse, kui tektoonilised plaadid liikusid subduktsiooni teel üksteise kohal. Teine teooria ütleb, et vesi on meie planeedil olnud algusest peale - st alates sellest ajast, kui gaasi- ja tolmupilv moodustas meie päikesesüsteemi 4, 6 miljardit aastat tagasi. See ürgne vesi võis selle akretsiooni ajal Maa sisse lõksu jääda ja kuidagi kuidagi noore planeedi kõrvetava kuumusega vastu pidada.
Nii et kui vesi oli Maa siirdetsoonis 2, 7 miljardit aastat tagasi, tähendab Sobolev, siis see tähendab, et kas tektooniliste plaatide liikumine pidi olema planeedi ajaloos alguse saanud palju varem, kui teadlased praegu arvavad, või et vesi oli siin algusest peale .
Lydia Hallis kahtlustab, et vesi on seal olnud kogu aeg. Glasgow ülikooli planeediteadlane Hallis võrdles mitu aastat tagasi seda, mida ta nimetab iidsetes kivimites sügavast vahevööst ja tavalisest mereveest erinevateks vee "maitseteks". Kuigi subduktsioon segab vett vahevöö ülemistele tasanditele, jäävad sügavaimad osad suhteliselt põlised.
Vesi koosneb kahest vesiniku molekulist ja ühest hapniku molekulist. Mõnikord koosneb see kivimitesse koosnedes ühest vesinikust ja ühest hapnikust, mida nimetatakse hüdroksüülrühmaks. Vesiniku eri vormidel või isotoopidel on erinev molekulmass ja raskemat vesiniku isotoopi tuntakse deuteeriumina.
Teadlased arvavad, et tärkava päikesesüsteemi kohas, kus Maa moodustus, sisaldas vesi palju tavalisemat vesinikku kui deuteerium. Kuid kuna vesi on Maa pinnal püsinud, pääsesid kergemad vesiniku molekulid kergemini kosmosesse, kontsentreerides deuteeriumi meie atmosfääri ja ookeanidesse.
Hallis leidis, et Kanada arktilistest kividest lõksus oleval vees, mis moodustus sügavast Maa vahevööst pärit magma poolt, oli deuteeriumi ja vesiniku suhe madalam kui merevees. Suhe nendes kivides sarnanes rohkem teadlaste arvates ürgvee väljanägemisega, viidates sellele, et vesi oli algusest peale Maa vahevöö komponent.
See ei välista võimalust, et ka niisked kosmosekivimid tungisid Maa sisse ja jagasid osa oma veest. Kuid arutelu käib edasi. "Nii töötab teadus, " ütleb Hallis. "Teil on õigus, kuni keegi tõestab, et te eksite."
Maa sees sügavate tingimuste simuleerimiseks kasutatakse rombikujulist lahtrit, pigistades proove tohutu rõhu abil. (Steve Jacobsen / Loodeülikool) Pearson mõtles, kas deuteeriumi ja vesiniku vaheliste suhete uurimine tema ringwoodiitide kaasamisel võiks talle öelda rohkem selle kohta, kas üleminekutsooni vesi oli ürgne, kas see oli seal subduktsiooni tagajärjel või oli see natuke mõlemat.
Ta värbas Mederic Paloti - geokeemiku, kes praegu asub Prantsusmaal Jean Monnet 'ülikoolis - teemandi poleerimiseks kuni ringwoodiidi lisamiseni, et nad saaksid analüüsida vesiniku molekule, mis on lõksus. See oli riskantne protsess. Sellisest sügavusest teemandi toomine tähendas, et selle siseküljed olid palju koormatud. Teemandi tükeldamine ja poleerimine võib seda kahjustada ja selle parandamata jäämist kahjustada.
Palot oli ettevaatlik. Ta lõi kuivjääst omamoodi jahutusradiaatori, et teemant ei kuumeneks üle, kui raseeris laseriga pisikesed liistud mineraali pinnalt. Pärast iga poleerimise minutit viis ta teemandi üle mikroskoobi, et veenduda, kas vääris ringwoodiiti on ikka veel.
Pärast 12-tunnist poleerimist teadis Palot, et on lähenemisele lähedal. Ta kontrollis teemanti mikroskoobi all kell 11 õhtul - peaaegu seal. Ta poleeris veel minut ja siis teemant uuesti üle kontrollitud. Kaasamine oli kadunud.
Palot otsis seda meeletult terve päeva, küürides mikroskoobi ümbritsevat piirkonda tolmuterast väiksema rõngapuu ringiga.
Ta mäletab kohutavat tunnet, kui ta pidi Pearsonile helistama, et edastada uudis, et ainus Maa pinnal moodustunud ringwoodiidi proov on kadunud.
Kuid Pearson mõtles juba järgmise projekti peale. "Ta ütles:" See on mäng, me teame, et mängisime seda, "" meenutab Palot. Ja siis ütles Pearson talle, et neil on veel üks proov, mis võib olla huvitav. Ta oli hiljuti teinud reisi samasse Brasiilia piirkonda, kust pärit ringwoodiiti sisaldav teemant, ja ta tõi tagasi uusi kalliskive - igaühel oli paljulubavaid lisandeid õppimiseks. Nüüd teevad Palot, Pearson, Jacobsen ja teised koostööd, et analüüsida romanti veelgi sügavamalt vahevöö alt.
Paloti ja kõigi nende teadlaste jaoks on sügaval meie planeedil tekkivate kristallide uurimine midagi enamat kui nende koostisosade tuvastamine, mis küpsetati Maale miljardeid aastaid tagasi.
"Kogu see mõte on seotud elu endaga, " ütleb Palot. „Me teame, et elu on veega tihedalt seotud. Kui teame veeringlust paremini, siis teame paremini, kuidas elu alguse sai. ”
Ja kui me teame, kuidas elu meie planeedil alguse sai, võib see potentsiaalselt aidata meil leida teistelt elu või elu säilitavaid tingimusi.
Jacobsen lisab: “Avastame nüüd potentsiaalselt asustatavaid planeete väljaspool meie päikesesüsteemi. Ja mida rohkem me teame, milline asustatav planeet välja näeb, seda rohkem suudame neid ära tunda. ”
Jacobseni sõnul pole nende otsimine sügavale maakera veekogudesse kunagi olnud nii asjakohane.
Lisateavet selle uurimistöö ja muu kohta leiate Deep Carboni vaatluskeskusest.
