Era o zi de primăvară în 2009, iar John McNeill avea un buzunar plin de diamante.
Continut Asemanator
- Apa Pământului poate fi la fel de veche ca Pământul în sine
- Ce putem învăța prin săparea secretelor carbonului adânc al Pământului
- Poate fi un al doilea ocean masiv adânc sub suprafață
Consilierul său de doctorat, geochimistul Graham Pearson, îl trimisese pe McNeill la un laborator din Viena, cu un recipient de film care zgâriau cu diamante „ultradeep”. Acestea nu erau pietrele strălucitoare ale unui magazin de bijuterii, dar diamantele aspre și plictisitoare care explodaseră spre suprafață dintr-o regiune aflată la sute de kilometri adânc în mantia Pământului, numită zona de tranziție Minerii din districtul Juína din Brazilia le descoperise cu câțiva ani înainte . Bijutierii trecuseră pe pietrele tulbure, dar pentru oamenii de știință, aceste minerale prețioase erau ferestre în Pământul adânc.
Într-un laborator întunecat, McNeill a îndreptat un fascicul de lumină pe suprafața pietrei după piatră, măsurând spectrul împrăștiat de diamante și impuritățile lor - sperând să găsească minerale în aceste incluziuni care să-i poată spune cum s-au format aceste diamante.
Ceea ce a descoperit în schimb a oferit oamenilor de știință primele dovezi concrete că în interiorul Pământului există apă adâncă. Dacă ar exista un rezervor vast de molecule de apă integrate în minerale la sute de kilometri în subteran, ar putea explica modul în care planeta noastră albastră a evoluat într-una cu tectonică de placă și apă și, în cele din urmă, a devenit locuibilă. Înțelegerea acestui proces nu este doar istorică: cu cât știm mai multe despre ceea ce a făcut viața posibilă pe planeta noastră, susțin oamenii de știință, cu atât vom ști mai multe despre găsirea unuia locuibil în afara sistemului nostru solar.
La vremea respectivă, McNeill era cercetător la Universitatea Durham. Când el și Lutz Nasdala, omul de știință în laboratorul căruia lucra, a comparat spectrul creat de o impuritate într-una din diamantele cu o bază de date de minerale, au descoperit ceva surprinzător: un flop microscopic de cristal verzui prins în diamant arăta s-ar putea să fie ringwoodite, un mineral care fusese niciodată sintetizat în laboratoare sau găsit pe meteoriți. Nu a apărut niciodată în materialele de pe Pământ.
Dacă ar fi, ar fi o afacere mare. Se știa că ringwooditul sintetic este capabil să încorporeze moleculele de apă în structura sa. Așadar, acest eșantion terestru ar putea în cele din urmă să rezolve o dezbatere de zeci de ani cu privire la cantitatea de apă prinsă în zona de tranziție - un strat care se întinde de la 250 la 400 de mile sub scoarță - și cum a ajuns acolo.
La sfârșitul anilor 1980, geofizicianul Joseph Smyth de la Universitatea din Colorado, Boulder a prezis că anumite minerale din zona de tranziție a mantaului ar putea avea loc în structurile lor pentru moleculele de apă. Dar, pentru că nimeni nu a putut exercițiu atât de departe în zona de tranziție pentru a arunca o privire directă, cea mai mare parte a dovezilor pentru aceasta a fost fie teoretică, fie rezultatul experimentelor de laborator. Alți oameni de știință nu au fost de acord, menționând că modul în care valurile seismice ale unui cutremur s-au deplasat sub suprafață - și lipsa unor cutremure profunde - au prezis o zonă de tranziție uscată.
Diamantul lui McNeill a furnizat o fereastră cu dimensiunea de mazăre în acest strat ascuns din centrul Pământului, permițând cercetătorilor să înțeleagă compoziția planetei noastre.
Aproximativ doi ani mai târziu, McNeill absolvise și Pearson se mutase de la Universitatea Durham pentru a-și continua cercetările la Universitatea Alberta din Canada. Într-o zi de iarnă din 2011, într-un laborator subteran fără ferestre, colegul lui Pearson, Serghei Matveev, a suspendat cu atenție diamantul care conține ringwoodite în interiorul unui microscop infraroșu pentru a analiza conținutul incluziunii minuscule.
A fost nevoie de Matveev câteva ore pentru a poziționa diamantul exact, pentru a putea lua o măsurare. Dar, odată ce l-a avut pe loc, a durat doar câteva minute pentru a obține rezultatele lor: lemnul de inel conținea apă.
Matveev a încercat să rămână calm, dar Pearson a fost încântat. El preferă să nu repete ceea ce a spus în momentul în care și-a dat seama că teoria și experimentele de laborator ar putea fi acum susținute de o observare directă a apei din adâncul mânecii Pământului.
„Este posibil să nu fie imprimabilă”, spune el.
Un cristal albăstrui de ringwoodite în interiorul unei celule cu diamante-nicovală. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson și colegii lor și-au publicat descoperirea în revista Nature în 2014, dar întrebarea a rămas: cât de reprezentativ a fost acest minuscul diamant al întregii zone de tranziție? Cei doi oameni de știință au avut grijă să observe că hârtia lor a furnizat dovezi de apă doar în buzunarul mic al mantalei în care s-a format acest diamant.
Dacă acest mic eșantion de lemn de inel ar fi cu adevărat reprezentativ, atunci zona de tranziție ar putea conține la fel de multă apă ca toate oceanele Pământului - posibil mai mult. Și dacă s-ar întâmpla, ar putea ajuta la explicarea modului în care se mișcă tectonica plăcilor, formând munți și vulcani.
Geofizicianul Steve Jacobsen, de la Universitatea de Nord-Vest, atenționează împotriva imaginării acestei ape, întrucât oceanele subterane ale lui Jules Verne se umplu de monștri de mare. În schimb, el gustă apa din zona de tranziție la laptele dintr-o prăjitură. Laptele lichid intră în cuptor, dar odată ce prăjitura iese din cuptor, componentele acelui lapte lichid sunt încorporate în structura tortului - nu mai este umed, dar este încă acolo.
Și Jacobsen a crezut că are o modalitate de a afla cât de mult din această apă a fost „coaptă” pe Pământ, sub America de Nord.
În interiorul planetei noastre, roca incredibil de fierbinte și ușor vâscoasă se deplasează spre suprafață în unele locuri, în timp ce în altele, ea se scurge spre miezul într-un curent lent numit convecție. Deoarece mineralele ca lemnul de inel tranzitează de la adâncimi mai mari până la mai mici în manta, temperaturile și presiunile ridicate deformează structura mineralului. Ringwooditul cu nuanțe albastre, de exemplu, începe ca un cristal verde numit olivină în apropierea suprafeței, metamorfozând la ringwoodite în zona de tranziție și se schimbă în bridgmanit pe măsură ce se deplasează spre mantaua inferioară. Spre deosebire de ringwoodite, bridgmanitul nu ține apă.
Jacobsen a subliniat că, dacă ringwooditul din zona de tranziție conținea cu adevărat atât de multă apă pe cât a sugerat diamantul lui Pearson, atunci apa ar scurge din ringwoodite ca magma atunci când mineralul a fost stors și încălzit pentru a deveni bridgmanit.
Așa că Jacobsen a făcut lemn de inel care conținea apă în laborator, a strâns-o între două diamante într-un viciu de buzunar numit presă de nicovală și a încălzit-o cu un laser cu putere mare. Când a examinat rezultatele, a descoperit că temperaturile și presiunile ridicate au stors într-adevăr apa din piatră, creând picături mici de magmă.
Jacobsen s-a gândit că, dacă lemnul de inel scutea de fapt o magmă bogată în apă, pe măsură ce era apăsată pe mantaua inferioară, atunci aceste petice de magmă ar trebui să încetinească undele seismice ale unui cutremur - creând un fel de semnătură seismică pentru apă.
Așadar, Jacobsen s-a unit cu sismologul Brandon Schmandt de la Universitatea din New Mexico, pentru a căuta aceste semnături în datele colectate de rețeaua de seismometre mobile a Fundației Naționale a Științei, numită Array-ul SUA care se deplasa încet spre est în America de Nord. Cercetătorii au văzut sughițele seismice pe care le-au prezis chiar acolo unde au crezut că vor ajunge - la limita dintre zona de tranziție și mantaua inferioară a Pământului.
Când încearcă să descrie ce au însemnat aceste rezultate, Jacobsen este în pierdere pentru cuvinte. „Acesta a fost într-adevăr punctul în care am simțit că ultimii 20 de ani de cercetare au meritat”, spune el în cele din urmă. El și Schmandt au găsit dovezi că apa a fost prinsă în zona de tranziție a mantalei sub cea mai mare parte a Statelor Unite, și au publicat rezultatele lor în revista Science în 2014.
Dar mai rămăsese un mare punct orb: nimeni nu știa de unde provenea această apă.
Muncitorii extrag diamante în regiunea Juina din Brazilia. (Graham Pearson / Universitatea din Alberta) În septembrie 2014, Alexander Sobolev și-a propus să găsească mostre „proaspete” de roci de lavă rare, vechi de 2, 7 miliarde de ani, numite komatiți, în speranța de a afla cum se formează.
Sobolev, profesor de geochimie de la Universitatea Grenoble Alpes din Franța, și-a făcut drum prin porțiuni din centura de piatră verde Abitibi din Canada, cu un ciocan, apăsând komatiite care arătau promițătoare și ascultau cu atenție percuția minusculă. Cei mai buni, spune el, fac un sunet curat și frumos.
Sobolev și colegii săi, Nicholas Arndt, de asemenea de la Universitatea Grenoble Alpes, și Evgeny Asafov, de la Institutul de Geochimie Vernadsky din Rusia, au colectat bucăți de pumn de aceste roci pentru a se întoarce în Franța. Acolo, le-au zdrobit și au extras micile boabe verzi de olivină cuibărit în interior înainte de a trimite fragmente de olivină în Rusia pentru a fi încălzite la mai mult de 2.400 de grade F și apoi răcite rapid. Au analizat incluziunile topite și răcite prinse în interiorul olivinei pentru a înțelege ce s-a întâmplat cu penele de magmă în timp ce se împușcau prin manta.
Echipa lui Sobolev a descoperit că, în timp ce acești komatiți nu conțineau atâta apă cât lemnul de inel al lui Pearson, părea ca magma care le-a format a luat și a încorporat o cantitate mică de apă în timp ce a călătorit prin manta - probabil când a trecut prin tranziție zona. Aceasta ar însemna că zona de tranziție a mantalei conținea apă acum 2, 7 miliarde de ani.
Acest punct de timp este important, deoarece există o serie de teorii diferite, dar potențial complementare, despre când și cum Pământul și-a dobândit apa și despre cum această apă și-a făcut loc adânc în manta.
Prima teorie spune că tânăra planetă Pământ era prea fierbinte pentru a reține orice apă și că a sosit mai târziu, lovind o plimbare pe meteoriți sau comete. Această apă a alunecat apoi în manta când plăcile tectonice s-au mutat una peste alta într-un proces numit subducție. Cea de-a doua teorie spune că apa a existat pe planeta noastră încă de la început - adică de când un nor de gaz și praf s-a strâns să formeze sistemul nostru solar acum 4, 6 miliarde de ani. Această apă primordială ar fi putut fi prinsă în interiorul Pământului în timpul acumulării sale și, într-un fel, a reușit să reziste la căldura scârboasă a planetei.
Deci, dacă apa a fost în zona de tranziție a Pământului acum 2, 7 miliarde de ani, spune Sobolev, înseamnă că fie mișcarea plăcilor tectonice trebuia să fi început mult mai devreme în istoria planetei decât cred oamenii de știință în prezent, sau că apa a fost aici de la bun început. .
Lydia Hallis, în primul rând, bănuiește că apa a fost acolo tot timpul. Hallis, un om de știință planetar de la Universitatea din Glasgow, a comparat ceea ce ea numește diferitele „arome” ale apei din rocile antice din mantaua adâncă și din apa de mare obișnuită acum câțiva ani. În timp ce subducția amestecă apa în nivelurile superioare ale mantalei, porțiunile cele mai adânci rămân relativ verzi.
Apa este formată din două molecule de hidrogen și o moleculă de oxigen. Uneori, când este încorporat în roci, este de fapt format dintr-un hidrogen și un oxigen, numit grup hidroxil. Diferite forme, sau izotopi, de hidrogen au greutăți moleculare diferite, iar izotopul de hidrogen mai greu este cunoscut sub numele de deuteriu.
Oamenii de știință consideră că, la fața locului, în sistemul solar nou în care s-a format Pământul, apa conținea mult mai mult hidrogen regulat decât deuteriu. Dar, pe măsură ce apa a persistat pe suprafața Pământului, moleculele mai ușoare de hidrogen au scăpat mai ușor în spațiu, concentrând deuteriu în atmosfera și oceanele noastre.
Hallis a descoperit că apa prinsă în pietre din Arctica canadiană, care au fost formate de magma originare adânc în mantia Pământului, avea un raport deuteriu / hidrogen mai mic decât apa de mare. Raportul din aceste pietre seamănă mai mult cu ceea ce oamenii de știință cred că ar arăta apa primordială, ceea ce sugerează că apa a fost o componentă a mantiei Pământului de la bun început.
Acest lucru nu exclude posibilitatea ca rocile spațiale umede să fie adâncite și pe Pământ și să împărtășească o parte din apa lor. Însă dezbaterea rămâne mai departe. "Așa funcționează știința", spune Hallis. "Ai dreptate, până când cineva te dovedește greșit."
O celulă cu diamant este utilizată pentru a simula condițiile adânci în interiorul Pământului, stoarcând mostre folosind presiuni enorme. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson s-a întrebat dacă examinarea raporturilor dintre deuteriu și hidrogen în incluziunea sa de lemn de inel ar putea să-i spună mai multe dacă apa din zona de tranziție a fost primordială, dacă a existat ca urmare a subducției sau dacă a fost o parte din ambele.
El a recrutat Mederic Palot - geochemist în prezent la Universitatea Jean Monnet din Franța - pentru a lustrui diamantul până la incluziunea ringwoodite, astfel încât să poată analiza moleculele de hidrogen prinse în interior. A fost un proces riscant. Aducerea unui diamant din astfel de adâncimi însemna că părțile sale interioare erau sub multă încordare. Tăierea și lustruirea diamantului ar putea deteriora și includerea acestuia dincolo de reparații.
Palot era atent. El a creat un fel de chiuvetă din gheață uscată, astfel încât diamantul să nu se supraîncălzească, în timp ce se bărbieră să se strecoare de pe suprafața mineralului cu un laser. După fiecare minut de lustruire, el a dus diamantul la un microscop pentru a se asigura că incluziunea prețioasă a inelului era încă acolo.
După 12 ore de lustruit, Palot știa că se apropie de incluziune. El a verificat diamantul la microscop la ora 11 pm - aproape acolo. A lustruit încă un minut și apoi a verificat din nou diamantul. Includerea a dispărut.
Palot a căutat-o frenetic o zi întreagă, parcurgând zona din jurul microscopului pentru o pâlnie de lemn de inel mai mică decât un grâu de praf.
Își amintește teribilul sentiment de a fi nevoit să-l cheme pe Pearson pentru a da vestea că singurul eșantion de ringwoodite descoperit vreodată că s-a format pe Pământ a dispărut.
Dar Pearson se gândea deja la următorul proiect. „El a spus:„ Acesta este jocul, știm că ne-am jucat pe asta ”, își amintește Palot. Și atunci Pearson i-a spus că au un alt eșantion care ar putea fi interesant. De curând a făcut o călătorie în aceeași regiune a Braziliei, de unde provenea diamantul care conținea lemn de inel și a adus înapoi noi pietre prețioase - fiecare cu incluziuni promițătoare de studiat. Acum, Palot, Pearson, Jacobsen și alții lucrează împreună pentru a analiza un diamant din și mai adânc în interiorul mantei.
Pentru Palot și fiecare dintre acești oameni de știință, privirea la cristale care apar din adâncurile planetei noastre este mai mult decât identificarea ingredientelor care au fost coapte pe Pământ miliarde de ani în urmă.
„Acest punct este despre viața însăși”, spune Palot. „Știm că viața este strâns legată de apă. Dacă cunoaștem mai bine ciclul apei, știm mai bine cum a avut viața. ”
Și dacă știm cum a apărut viața pe planeta noastră, ar putea să ne ajute să găsim viață - sau condiții de susținere a vieții - la alții.
Jacobsen adaugă: „Descoperim acum planete potențial locuibile în afara sistemului nostru solar. Și cu cât știm mai multe despre cum arată o planetă locuibilă, cu atât vom putea să le recunoaștem. ”
Jacobsen spune că căutarea lor pentru apă adâncă pe Pământ, nu a fost niciodată mai relevantă.
Aflați mai multe despre această cercetare și multe altele la Deep Carbon Observatory.
