Det var en vårdag i 2009, og John McNeill hadde en lomme full av diamanter.
Relatert innhold
- Jordens vann kan være like gammelt som jorden selv
- Hva vi kan lære ved å grave hemmelighetene bak jordens dype karbon
- Det kan være et annet massivt hav dypt under overflaten
Ph.d.-rådgiveren hans, geokjemisten Graham Pearson, hadde sendt McNeill til et laboratorium i Wien med en filmbeholder som skranglet med “ultradeep” diamanter. Dette var ikke de glitrende perlene i en smykkebutikk, men de grove, kjedelige diamantene som hadde eksplodert mot overflaten fra et område hundrevis av miles dypt i jordens mantel kalt overgangssonen Miners i Brasiliens Juína-distrikt hadde oppdaget dem flere år før . Juveler hadde gått på de uklare steinene, men for forskere var disse dyrebare mineralene vinduer inn på den dype jorden.
I et mørklagt laboratorium siktet McNeill en lysstråle på overflaten av stein etter stein, og målte spekteret spredt av diamantene og deres urenheter - i håp om å finne mineraler i disse inneslutningene som kunne fortelle ham hvordan disse diamantene dannet seg.
Det han oppdaget i stedet ga forskere de første konkrete bevisene på at det var vann dypt inne i jorden. Hvis det var et enormt reservoar med vannmolekyler integrert i mineraler hundrevis av kilometer under jorden, kunne det forklare hvordan den blå planeten vår utviklet seg til en med platetektonikk og vann, og til slutt ble beboelig. Å forstå den prosessen er ikke bare historisk: Jo mer vi vet om hva som gjorde livet mulig på planeten vår, hevder forskere, jo mer vil vi vite om å finne en beboelig utenfor solsystemet vårt.
På den tiden var McNeill forsker ved Durham University. Da han og Lutz Nasdala, forskeren i laboratoriet han jobbet, sammenlignet spekteret som ble skapt av en urenhet i en av diamantene mot en database med mineraler, fant de noe overraskende: En mikroskopisk flekk med grønnaktig krystall fanget i diamanten så ut som det kan være ringved, et mineral som bare noen gang hadde blitt syntetisert i laboratorier eller funnet på meteoritter. Det hadde aldri vist seg i materiale fra Jorden.
Hvis det var det, ville det være en stor avtale. Syntetisk ringved ble kjent for å kunne innlemme vannmolekyler i strukturen. Så denne landprøven kan endelig være i stand til å avgjøre en tiårelang debatt om vannmengden fanget i overgangssonen - et lag som strekker seg fra 250 til 400 mil under jordskorpen - og hvordan det kom dit.
På slutten av 1980-tallet spådde geofysiker Joseph Smyth fra University of Colorado, Boulder at visse mineraler i mantelens overgangssone kan ha plass i strukturer for vannmolekyler. Men fordi ingen kunne bore så langt ned i overgangssonen for å se direkte, var det meste av bevisene for dette enten teoretisk eller resultatet av laboratorieeksperimenter. Andre forskere var uenige og la merke til at måten et jordskjelvs seismiske bølger beveget seg under overflaten - og sjeldne sjeldne jordskjelv - spådde en tørr overgangssone.
McNeills diamant ga et vindu i ert størrelse i dette skjulte laget i jordens sentrum, slik at forskere fikk et glimt av planetenes sammensetning.
Cirka to år senere hadde McNeill uteksaminert seg og Pearson hadde flyttet fra Durham University for å fortsette forskningen sin ved University of Alberta i Canada. På en vinterdag i 2011, i et vindufritt kjellerlaboratorium, suspenderte Pearssons kollega Sergej Matveev nøye den ringvedittholdige diamanten i et infrarødt mikroskop for å analysere innholdet i den lille inkluderingen.
Det tok Matveev noen timer å plassere diamanten akkurat så han kunne ta en måling. Men når han først hadde hatt det på plass, tok det bare noen få minutter å få resultatene: ringveden inneholdt vann.
Matveev prøvde å holde seg i ro, men Pearson var spent. Han foretrekker ikke å gjenta det han sa i det øyeblikket han innså at teori og laboratorieeksperimenter nå kunne støttes opp av en direkte observasjon av vann fra dypt i jordens mantel.
"Det er muligens ikke utskrivbart, " sier han.
En blåaktig krystall av ringved i en diamant-amboltcelle. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson og deres kolleger publiserte oppdagelsen i tidsskriftet Nature i 2014, men spørsmålet gjensto: hvor representativ var denne bittesmå diamanten i hele overgangssonen? De to forskerne var nøye med å merke seg at papirene deres ga bevis på vann bare i den lille lommen på mantelen der denne diamanten hadde dannet seg.
Hvis denne ørsmå ringwoodite-prøven virkelig var representativ, kunne overgangssonen inneholde like mye vann som alle jordens hav - muligens mer. Og hvis det gjorde det, kunne det bidra til å forklare hvordan platetektonikk beveger seg, og danner fjell og vulkaner.
Geofysiker Steve Jacobsen fra Northwestern University advarer mot å se for seg dette vannet som Jules Vernes underjordiske hav fylt med sjømonstre. I stedet likner han vann i overgangssonen til melken i en kake. Flytende melk går i røren, men når kaken først kommer ut av ovnen, blir komponentene i flytende melk integrert i kakens struktur - den er ikke våt lenger, men den er fremdeles der.
Og Jacobsen trodde han hadde en måte å finne ut hvor mye av dette vannet som ble "bakt" inn i jorden under Nord-Amerika.
Inne i planeten vår beveger seg utrolig varm og litt tyktflytende berg mot overflaten noen steder, mens den andre siver mot kjernen i en langsom strøm kalt konveksjon. Når mineraler som ringved blir transitt fra høye til lavere dybder i mantelen, fordreier de høye temperaturene og trykket mineralets struktur. Blåfarget ringved, for eksempel, starter som en grønn krystall som kalles olivin nær overflaten, metamorfoser til ringved i overgangssonen, og endres til bridgmanitt når den beveger seg til den nedre mantelen. Men i motsetning til ringved, holder ikke bridgmanitt vann.
Jacobsen teoretiserte at hvis ringved i overgangssonen virkelig inneholdt så mye vann som Pearsons diamant antydet, så ville vannet sive ut av ringved som magma når mineralet ble presset og oppvarmet for å bli bridgmanitt.
Så Jacobsen laget ringwooditt som inneholdt vann på laboratoriet, klemte den mellom to diamanter i en lommestørrelse som kalles en diamant amboltpresse og varmte den opp med en kraftig laser. Da han undersøkte resultatene, fant han ut at de høye temperaturene og trykket virkelig hadde presset vannet fra steinen og skapt små dråper magma.
Jacobsen trodde at hvis ringwoodite faktisk oozed vannrik magma når den ble presset inn i den nedre mantelen, så disse patchene av magma skulle bremse et jordskjelvs seismiske bølger - skape en slags seismisk signatur for vann.
Så Jacobsen slo seg sammen med seismolog Brandon Schmandt fra University of New Mexico for å lete etter disse signaturene i dataene samlet inn av National Science Foundations rutenett med mobile seismometre kalt US Array som sakte beveget seg østover over Nord-Amerika. Forskerne så de seismiske hikkene de spådde akkurat der de trodde de ville - ved grensen mellom overgangssonen og jordens nedre mantel.
Når han prøver å beskrive hva disse resultatene betydde for ham, taper Jacobsen for ord. "Det var virkelig poenget der jeg følte at de siste 20 årene av forskningen min var verdt, " sier han til slutt. Han og Schmandt hadde funnet bevis for at vann var fanget i mantelens overgangssone under det meste av USA, og de publiserte sine funn i tidsskriftet Science i 2014.
Men det var fortsatt en stor blind flekk: ingen visste hvor dette vannet hadde kommet fra.
Arbeiderne trekker ut diamanter i Juina-regionen i Brasil. (Graham Pearson / University of Alberta) I september 2014 bestemte Alexander Sobolev seg for å finne "ferske" prøver av sjeldne, 2, 7 milliarder år gamle lavabergarter kalt komatiitter, i håp om å lære om hvordan de dannet seg.
Sobolev, professor i geokjemi fra Grenoble Alpes-universitetet i Frankrike, kom seg gjennom deler av Canadas Abitibi greenstone belte med en hammer - tapper komatiitter som så lovende ut, og lyttet nøye til den tynne slagverket. De beste, sier han, lager en ren og vakker lyd.
Sobolev og kollegene Nicholas Arndt, også fra Grenoble Alpes universitet, og Evgeny Asafov fra Russlands Vernadsky Institute of Geochemistry samlet biter av knyttneve av disse bergartene for å ta tilbake til Frankrike. Der knuste de dem og hentet ut de bittesmå grønne kornene med olivin som var plassert inne, før de sendte olivinfragmentene til Russland for å bli oppvarmet til mer enn 2400 grader F og deretter raskt avkjølt. De analyserte smeltede og avkjølte inneslutninger fanget inne i olivinet for å forstå hva som hadde skjedd med magma-plommene da de skjøt opp gjennom mantelen.
Sobolevs team oppdaget at selv om disse komatiittene ikke inneholdt så mye vann som Pearsons ringved, så det ut som magmaen som dannet dem hadde plukket opp og innlemmet en liten mengde vann da den reiste gjennom mantelen - sannsynligvis da den gikk gjennom overgangen sone. Dette ville bety at mantelens overgangssone inneholdt vann for 2, 7 milliarder år siden.
Dette tidspunktet er viktig fordi det er en rekke forskjellige - men potensielt komplementære - teorier om når og hvordan Jorden skaffet seg vann, og hvordan dette vannet kom seg dypt inn i mantelen.
Den første teorien sier at den unge planeten Jorden var for varm til å beholde noe vann, og at den kom senere, med en tur på fuktige meteoritter eller kometer. Dette vannet skled så inn i mantelen da tektoniske plater beveget seg over hverandre i en prosess som ble kalt subduksjon. Den andre teorien sier at vann har vært på planeten vår siden begynnelsen - det vil si helt siden en sky av gass og støv samlet seg for å danne solsystemet vårt for 4, 6 milliarder år siden. Dette urvannet kunne ha blitt fanget inne i Jorden under dets akkresjon, og på en eller annen måte klart å motstå den unge planetens brennende varme.
Så hvis vann var i jordens overgangssone for 2, 7 milliarder år siden, sier Sobolev, betyr det at enten bevegelsen av tektoniske plater måtte ha startet mye tidligere i planetens historie enn forskere for tiden tror, eller at vannet var her helt fra begynnelsen .
Lydia Hallis, for en, mistenker at vannet har vært der hele tiden. Hallis, en planetarisk forsker ved University of Glasgow, sammenlignet det hun kaller de forskjellige "smakene" av vann i gamle bergarter fra den dype mantelen og i vanlig sjøvann for flere år siden. Mens subduksjon blander vann inn i de øvre nivåene av mantelen, forblir de dypeste delene relativt uberørte.
Vann består av to molekyler hydrogen og ett molekyl oksygen. Noen ganger, når den er innlemmet i bergarter, består den faktisk av ett hydrogen og ett oksygen, kalt en hydroksylgruppe. Ulike former, eller isotoper, av hydrogen har forskjellige molekylvekter, og den tyngre hydrogenisotopen er kjent som deuterium.
Forskere tror at på stedet i det begynnende solsystemet der jorden dannet seg, inneholdt vann mye mer vanlig hydrogen enn deuterium. Men etter hvert som vann har vedvaret på jordoverflaten, slapp de lettere hydrogemolekylene lettere ut i verdensrommet, og konsentrerte deuterium i atmosfæren og havene våre.
Hallis fant at vann fanget i steiner fra det kanadiske arktis som ble dannet av magma med opprinnelse dypt i jordens mantel, hadde et lavere forhold mellom deuterium og hydrogen enn sjøvann. Forholdet i disse steinene lignet mer på det som forskere synes urvannet så ut, og antydet at vann var en komponent i jordens mantel helt fra begynnelsen.
Dette utelukker ikke muligheten for at fuktige rombergarter også slo inn i jorden og delte noe av vannet deres. Men debatten raser videre. "Det er slik vitenskapen fungerer, " sier Hallis. "Du har rett, til noen beviser deg galt."
En diamant-amboltcelle brukes til å simulere forhold dypt inne i jorden, og presse prøver ved å bruke enorme trykk. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson lurte på om å undersøke forholdet mellom deuterium og hydrogen i ringvedvinklusjonen hans kunne fortelle ham mer om vannet i overgangssonen var overordnet, om det var der som et resultat av underkjøring, eller om det var litt av begge deler.
Han rekrutterte Mederic Palot - en geokjemiker som for tiden er ved Jean Monnet-universitetet i Frankrike - for å polere diamanten ned til inkluderingen av ringved slik at de kunne analysere hydrogemolekylene som var fanget inne. Det var en risikabel prosess. Å bringe en diamant opp fra slike dyp, betydde at innsiden av dem var under mye belastning. Å kutte og polere diamanten kan skade den og inkluderingen av den.
Palot var forsiktig. Han skapte en slags kjøleribbe laget av tørr is slik at diamanten ikke skulle overopphetes da han barberte bittesmå sliver fra mineralets overflate med en laser. Etter hvert minutt med polering tok han diamanten over til et mikroskop for å forsikre seg om at den dyrebare inkluderingen av ringved fortsatt var der.
Etter 12 timer med polering visste Palot at han kom nær inkluderingen. Han sjekket diamanten under mikroskopet klokka 23 - nesten der. Han polerte i enda et minutt og sjekket deretter diamanten igjen. Inkluderingen var borte.
Palot søkte febrilsk etter den i en hel dag, og skur området rundt mikroskopet etter en flekk av ringved som var mindre enn et støvkorn.
Han husker den forferdelige følelsen av å måtte ringe Pearson for å levere nyheten om at den eneste prøven av ringved som noen gang ble oppdaget som hadde blitt dannet i jorden, var borte.
Men Pearson tenkte allerede på neste prosjekt. "Han sa: 'Det er spillet, vi vet at vi gamblet på det, '" minnes Palot. Og så fortalte Pearson at de hadde en annen prøve som kan være interessant. Han hadde nylig tatt en tur til den samme regionen i Brasil hvor den ringvedittholdige diamanten kom fra, og han tok med seg nye perler - hver med lovende inkluderinger for å studere. Nå jobber Palot, Pearson, Jacobsen og andre sammen for å analysere en diamant enda dypere i mantelen.
For Palot og hver av disse forskerne handler det å se på krystaller som dukker opp dypt inne i planeten vår mer enn å identifisere ingrediensene som ble bakt inn i jorden for milliarder av år siden.
"Hele poenget handler om selve livet, " sier Palot. ”Vi vet at livet er nært knyttet til vann. Hvis vi vet bedre vannsyklusen, vet vi bedre hvordan livet oppsto. ”
Og hvis vi vet hvordan livet oppsto på planeten vår, kan det potensielt hjelpe oss å finne liv - eller livsopprettholdende forhold - på andre.
Jacobsen legger til, “Vi oppdager nå potensielt beboelige planeter utenfor solsystemet vårt. Og jo mer vi vet om hvordan en beboelig planet ser ut, jo mer vil vi kunne gjenkjenne dem. ”
Søket deres etter vann dypt inne i jorden, sier Jacobsen, har aldri vært mer relevant.
Lær om denne forskningen og mer på Deep Carbon Observatory.
