Byl to jarní den v roce 2009 a John McNeill měl kapsu plnou diamantů.
Související obsah
- Voda na Zemi může být stará jako Země sama
- Co se můžeme naučit vykopáním tajemství hlubokého uhlíku Země
- Může být druhá masivní oceán hluboko pod povrchem
Jeho poradce PhD, geochemista Graham Pearson, poslal McNeilla do laboratoře ve Vídni s filmovým kanystrem, který chrastil diamanty „ultradeep“. Nebyly to třpytivé drahokamy v klenotnictví, ale drsné, matné diamanty, které explodovaly k povrchu z oblasti stovky kilometrů hluboko v zemském plášti zvané přechodná zóna Miners v brazilské čtvrti Juína je objevili před několika lety . Klenotníci přecházeli po zamračených kamenech, ale pro vědce byly tyto vzácné minerály okny do hluboké Země.
V temné laboratoři zaměřil McNeill paprsek světla na povrch kamene za kamenem, měřil spektrum rozptýlené diamanty a jejich nečistoty - doufal, že v těchto inkluzích najde minerály, které by mu mohly říct, jak se tyto diamanty formovaly.
To, co místo toho objevil, poskytlo vědcům první konkrétní důkaz, že uvnitř Země byla voda hluboko. Kdyby existoval obrovský rezervoár molekul vody integrovaný do minerálů stovky kilometrů pod zemí, mohlo by to vysvětlit, jak se naše modrá planeta vyvinula na planetu s tektonikou a vodou a nakonec se stala obyvatelnou. Pochopení tohoto procesu není jen historické: čím více víme o tom, co umožnilo život na naší planetě, tvrdí vědci, tím více budeme vědět o nalezení obyvatelného mimo naši sluneční soustavu.
V té době byl McNeill výzkumníkem na Durhamské univerzitě. Když on a Lutz Nasdala, vědec, v jehož laboratoři pracoval, porovnali spektrum vytvořené nečistotou v jednom z diamantů s databází minerálů, našli něco překvapivého: Mikroskopický skvrna nazelenalých krystalů uvězněných v diamantu vypadala jako mohl to být ringwoodit, minerál, který byl syntetizován v laboratořích nebo nalezen na meteoritech. Nikdy se neobjevil v materiálu ze Země.
Pokud by to bylo, bylo by to hodně. Bylo známo, že syntetický ringwoodit dokáže začlenit molekuly vody do své struktury. Takže tento pozemský vzorek by konečně mohl vyřídit desetiletou debatu o množství vody uvězněné v přechodové zóně - vrstvě, která se rozprostírá od 250 do 400 mil pod kůrou - a jak se tam dostala.
V pozdních osmdesátých létech, geofyzik Joseph Smyth z University of Colorado, Boulder předpověděl, že určité minerály v přechodové zóně pláště mohou mít ve svých strukturách prostor pro molekuly vody. Ale protože nikdo nemohl vrtat tak hluboko do přechodové zóny, aby se přímo podíval, většina důkazů byla buď teoretická, nebo výsledek laboratorních experimentů. Ostatní vědci nesouhlasili a poznamenali, že způsob, jakým se seismické vlny zemětřesení pohybovaly pod povrchem - a občasnost hlubokých zemětřesení - předpovídal suchou přechodnou zónu.
McNeillův diamant poskytl do této skryté vrstvy ve středu Země okno s hráškem, což vědcům umožnilo nahlédnout do složení naší planety.
Asi o dva roky později McNeill promoval a Pearson se přestěhoval z Durhamské univerzity, aby pokračoval ve svém výzkumu na University of Alberta v Kanadě. V zimním dni v roce 2011 v suterénní laboratoři bez okna, Pearsonův kolega Sergei Matveev pečlivě pozastavil diamant obsahující prstencový strom uvnitř infračerveného mikroskopu, aby analyzoval obsah drobné inkluze.
Matveevovi trvalo několik hodin, než se dostal do správné polohy, aby mohl provést měření. Ale jakmile to měl na svém místě, trvalo jen pár minut, než se dostali k jejich výsledkům: ringwoodite obsahoval vodu.
Matveev se pokusil zůstat v klidu, ale Pearson byl nadšený. Raději neopakovat to, co řekl, ve chvíli, kdy si uvědomil, že teorii a laboratorní experimenty lze nyní podpořit přímým pozorováním vody z hloubky zemského pláště.
"Možná to není možné vytisknout, " říká.
Modrobílý krystal ringwoodite uvnitř buňky diamant-kovadlina. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson a jejich kolegové publikovali svůj objev v časopise Nature v roce 2014, ale otázka zůstala: jak reprezentativní byl tento drobný diamant celé přechodové zóny? Oba vědci si byli vědomi, že jejich papír poskytuje důkazy o vodě pouze v malé kapse pláště, kde se tento diamant vytvořil.
Pokud byl tento drobný prstencový vzorek skutečně reprezentativní, mohla by přechodná zóna obsahovat tolik vody jako všechny oceány Země - možná více. A pokud by se tak stalo, mohlo by to pomoci vysvětlit, jak se talířová tektonika pohybuje, tvoří hory a sopky.
Geofyzik Steve Jacobsen z Northwestern University varuje před tím, aby si tuto vodu představoval jako podzemní oceány Julesa Verneho naplněné mořskými příšerami. Místo toho přirovnává vodu v přechodové zóně k mléku v dortu. Tekuté mléko jde do těsta, ale jakmile dort vyjde z pece, komponenty tekutého mléka jsou začleněny do struktury dortu - už to není mokré, ale stále je tam.
A Jacobsen si myslel, že má způsob, jak zjistit, kolik této vody bylo „vypáleno“ na Zemi pod Severní Amerikou.
Uvnitř naší planety se na některých místech pohybuje neuvěřitelně horká a mírně viskózní hornina k povrchu, zatímco v jiných pomalu teče směrem k jádru pomalým proudem zvaným konvekce. Jak minerály jako ringwoodite přecházejí z vyšších do nižších hloubek v plášti, vysoké teploty a tlaky deformují strukturu minerálů. Například modrohnědý ringwoodit začíná jako zelený krystal zvaný olivin poblíž povrchu, proměňuje se na ringwoodite v přechodové zóně a mění se na bridgmanit, když se pohybuje do spodního pláště. Na rozdíl od ringwooditu však bridgmanit drží vodu.
Jacobsen teoretizoval, že pokud ringwoodit v přechodové zóně skutečně obsahuje tolik vody, jakou navrhoval Pearsonův diamant, pak by voda vytékala z ringwoodite jako magma, když byl minerál stlačen a zahříván, aby se stal bridgmanitem.
Takže Jacobsen vyrobil ringwoodit, který obsahoval vodu v laboratoři, vymačkal jej mezi dvěma diamanty do svěráku velikosti kapsy zvaného diamantový kovadlinový lis a zahříval ho vysoce výkonným laserem. Když zkoumal výsledky, zjistil, že vysoké teploty a tlaky skutečně vytlačily vodu z kamene, čímž vytvořily malé kapičky magmatu.
Jacobsen si myslel, že pokud ringwoodit skutečně vytékal vodou bohaté magma, když bylo vtlačeno do spodního pláště, pak by tyto skvrny magmatu měly zpomalit seismické vlny zemětřesení - vytvořit určitý druh seismického podpisu pro vodu.
Takže Jacobsen se spojil se seismologem Brandonem Schmandtem z University of New Mexico, aby hledal tyto podpisy v datech shromážděných sítí mobilních seismometrů Národní vědecké nadace s názvem US Array, která se pomalu pohybovala na východ přes Severní Ameriku. Vědci viděli seismické škytavky, které předpovídali, přesně tam, kde si mysleli, že by - na hranici mezi přechodovým pásmem a spodním pláštěm Země.
Když se pokouší popsat, co pro něj tyto výsledky znamenaly, Jacobsen je pro slova v rozpacích. "To byl opravdu bod, kdy jsem cítil, že posledních 20 let mého výzkumu bylo užitečné, " říká nakonec. Spolu se Schmandtem našli důkaz, že v přechodové zóně pláště pod většinou Spojených států byla zachycena voda a svá zjištění zveřejnili v časopise Science v roce 2014.
Stále však existovalo velké slepé místo: nikdo nevěděl, odkud tato voda pochází.
Pracovníci extrahují diamanty v oblasti Juina v Brazílii. (Graham Pearson / University of Alberta) V září 2014 se Alexander Sobolev rozhodl najít „čerstvé“ vzorky vzácných lávových hornin 2, 7 miliardy let zvaných komatiites, doufajících, že se dozví, jak se formují.
Sobolev, profesor geochemie z Grenoble Alpes University ve Francii, prošel částmi kanadského Abitibiho pásu z kamenného kamene kladivem - klepnutím na komatiity, které vypadalo slibně, a pečlivě poslouchal pocínovanou perkuse. Nejlepší říká, že vydává čistý a krásný zvuk.
Sobolev a jeho kolegové Nicholas Arndt, také z univerzity Grenoble Alpes University, a Evgeny Asafov z ruského Vernadského geochemického ústavu shromáždili kusy těchto skal, které se mají vrátit zpět do Francie. Tam je rozdrtili a extrahovali drobná zelená zrna olivinu zasazená dovnitř, než poslali fragmenty olivinu do Ruska, aby se zahřálo na více než 2 400 stupňů F a pak se rychle ochladilo. Analyzovali roztavené a chlazené vměstky uvězněné uvnitř olivinu, aby pochopili, co se stalo s oblaky magmatu, když vystřelili přes plášť.
Sobolevův tým objevil, že zatímco tito komatiité neobsahovali tolik vody jako Pearsonův ringwoodit, vypadalo to, že magma, které je vytvořilo, zvedl a přidal malé množství vody, když procházel pláštěm - pravděpodobně, když prošel přechodem pásmo. To by znamenalo, že přechodová zóna pláště obsahovala vodu před 2, 7 miliardami let.
Tento časový bod je důležitý, protože existuje celá řada různých - ale potenciálně se doplňujících - teorií o tom, kdy a jak Země získala svou vodu a jak se tato voda dostala hluboko do pláště.
První teorie říká, že mladá planeta Země byla příliš horká na to, aby zadržovala jakoukoli vodu, a že dorazila později, když narazila na zvlněné meteority nebo komety. Tato voda poté vklouzla do pláště, když se tektonické desky pohybovaly jeden přes druhého v procesu zvaném subduction. Druhá teorie říká, že voda je na naší planetě od začátku - to je od té doby, co se oblak plynu a prachu spojil do naší sluneční soustavy před 4, 6 miliardami let. Tato prapůvodní voda mohla být uvězněna uvnitř Země během jejího nárůstu a nějak se jí podařilo odolat spalujícímu teplu mladé planety.
Takže pokud byla voda v přechodné zóně Země před 2, 7 miliardami let, říká Sobolev, znamená to, že buď pohyb tektonických desek musel začít mnohem dříve v historii planety, než vědci v současné době věří, nebo že voda zde byla od samého začátku .
Lydia Hallis, například, má podezření, že voda tam byla celou dobu. Hallis, planetární vědkyně z University of Glasgow, před několika lety srovnávala to, co nazývá různými „příchutěmi“ vody ve starověkých skalách z hlubokého pláště a v pravidelné mořské vodě. Zatímco subduction míchá vodu do horních úrovní pláště, nejhlubší části zůstávají relativně nedotčené.
Voda se skládá ze dvou molekul vodíku a jedné molekuly kyslíku. Někdy, když je začleněn do hornin, je ve skutečnosti tvořen jedním vodíkem a jedním kyslíkem, který se nazývá hydroxylová skupina. Různé formy nebo izotopy vodíku mají různé molekulové hmotnosti a těžší izotop vodíku je známý jako deuterium.
Vědci si myslí, že v místě vznikající sluneční soustavy, kde se Země formovala, obsahovala voda mnohem pravidelnější vodík než deuterium. Ale jak voda přetrvávala na zemském povrchu, lehčí molekuly vodíku unikaly snadněji do vesmíru a koncentrovaly deuterium v naší atmosféře a oceánech.
Hallis zjistil, že voda uvězněná v kamenech z kanadské Arktidy, které byly tvořeny magmatem pocházejícím hluboko v zemském plášti, měla nižší poměr deuteria k vodíku než mořská voda. Poměr v těchto kamenech se více podobal tomu, co si vědci myslí, že prapůvodní voda vypadala, což naznačuje, že voda byla součástí zemského pláště od samého začátku.
To nevylučuje možnost, že vlhké vesmírné horniny také dopadly na Zemi a sdílely část své vody. Ale debata zuří dál. "Takto funguje věda, " říká Hallis. "Máte pravdu, dokud vám někdo neprokáže, že se mýlíte."
Pro simulaci podmínek hluboko uvnitř Země se používá buňka diamant-kovadlina, která stlačuje vzorky pomocí obrovských tlaků. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson přemýšlel, zda by zkoumání poměrů mezi deuteriem a vodíkem v jeho inkluzi ringwooditů mu nemohlo říct více o tom, zda byla voda v přechodné zóně pravěká, jestli to bylo v důsledku subdukce, nebo zda to bylo trochu z obou.
Nábor Mederica Palota - geochemika, který je v současné době na univerzitě Jean Monnet ve Francii -, aby vyleštil diamant až do prstencovité inkluze, aby mohli analyzovat molekuly vodíku uvězněné uvnitř. Byl to riskantní proces. Vyvolání diamantu z takových hloubek znamenalo, že jeho vnitřky byly pod velkým tlakem. Řezání a leštění diamantu by jej mohlo poškodit a jeho zahrnutí by bylo možné opravit.
Palot byl opatrný. Vytvořil jakýsi chladič ze suchého ledu, aby se diamant nepřehříval, když laserem oholil drobné prameny z povrchu minerálu. Po každé minutě leštění vzal diamant do mikroskopu, aby se ujistil, že vzácná prstencová inkluze stále existuje.
Po 12 hodinách leštění Palot věděl, že se k inkluzi blíží. Ve 23 hodin zkontroloval diamant pod mikroskopem - téměř tam. Chvíli leštěl a pak znovu zkontroloval diamant. Začlenění bylo pryč.
Palot zběsile hledal celý den a zkoumal oblast kolem mikroskopu po skvrně prstence, který byl menší než zrnko prachu.
Vzpomíná si na hrozný pocit, že musel zavolat Pearsona, aby vydal zprávu, že jediný vzorek prstencovitého dřeva, který kdy byl objeven, který byl vytvořen na Zemi, byl pryč.
Ale Pearson už přemýšlel o dalším projektu. "Řekl:" To je hra, víme, že jsme na to hráli, "vzpomíná Palot. A pak mu Pearson řekl, že mají další vzorek, který by mohl být zajímavý. Nedávno podnikl výlet do stejné oblasti v Brazílii, odkud pocházel diamant obsahující prstencový strom, a přinesl nové drahokamy - každý se slibnými inkluzi ke studiu. Nyní, Palot, Pearson, Jacobsen a další spolupracují na analýze diamantu z ještě hlubšího pláště.
Pro Palota a každého z těchto vědců je pohled na krystaly, které se objevují hluboko na naší planetě, více než jen identifikace ingrediencí, které byly vypáleny na Zemi před miliardami let.
"Celý tento bod se týká samotného života, " říká Palot. "Víme, že život úzce souvisí s vodou." Pokud víme lépe vodní cyklus, víme lépe, jak vznikl život. “
A pokud víme, jak život vznikl na naší planetě, mohlo by nám to potenciálně pomoci najít život - nebo podmínky udržující život - na ostatních.
Jacobsen dodává: „Nyní objevujeme potenciálně obyvatelné planety mimo naši sluneční soustavu. A čím více víme o tom, jak vypadá obyvatelná planeta, tím více je dokážeme rozpoznat. “
Jacobsen říká, že jejich hledání vody hluboko uvnitř Země nebylo nikdy důležitější.
Zjistěte více o tomto výzkumu a další informace na observatoři Deep Carbon Observatory.
