parisataa Brasilian mudasta poimittua pikkukiven kokoista timanttia istuu Northwestern Universityn kassakaapissa. Joillekin ne voivat olla arvottomia. ”Heitä pahoinpidellään”, sanoi Northwesternin mineralogi Steve Jacobsen. ”Ne näyttävät siltä kuin ne olisivat olleet pesukoneen läpi.”Monet ovat tummia tai keltaisia, kaukana jalokivikauppiaiden unelmien koskemattomista jalokivistä.

Jacobsenin kaltaisille tutkijoille nämä kiteisen hiilen palaset ovat kuitenkin aivan yhtä arvokkaita — ei itse timantille, vaan sille, mikä on lukittu sisälle: mineraalihiukkaset takoivat satoja kilometrejä maan alla, syvällä Maan vaipassa.

nämä mineraalihiukkaset — jotkut liian pieniä nähdäkseen edes mikroskoopilla — tarjoavat kurkistuksen maapallon muuten tavoittamattomiin sisätiloihin. Vuonna 2014 tutkijat näkivät vilaukselta jotain näihin mineraaleihin upotettua, joka ilman syvää alkuperäänsä olisi ollut tunnistamatonta: vettä.

eivät varsinaiset vesipisarat tai edes H20-molekyylit, vaan sen ainesosat, vedyn ja hapen atomit, jotka ovat uponneet itse mineraalin kiderakenteeseen. Vesipitoinen mineraali ei ole märkä. Mutta kun se sulaa, ulos valuu vettä. Löytö oli ensimmäinen suora todiste siitä, että näin syvällä, 410-660 kilometrin syvyydessä, on runsaasti vettä sisältäviä mineraaleja siirtymävyöhykkeeksi kutsutulla alueella, joka sijaitsee ylä-ja alajuoksun välissä.

sen jälkeen tutkijat ovat löytäneet lisää kiusoittelevia todisteita vedestä. Maaliskuussa ryhmä ilmoitti löytäneensä Maan vaipasta timantteja, joiden sisälle on koteloitunut varsinaista vettä. Seisminen data on kartoittanut myös vesiystävällisiä mineraaleja suuressa osassa maapallon sisäosia. Jotkut tiedemiehet väittävät nyt, että valtava vesivarasto voisi vaania kaukana jalkojemme alla. Jos koko planeetan pintavesi katsottaisiin yhdeksi valtamereksi ja maan alla olisi edes muutama valtameri, se muuttaisi tutkijoiden käsitystä maan sisuksista. Mutta se herättää myös toisen kysymyksen: Mistä kaikki on voinut tulla?

Vesimaailma

ilman vettä ei tuntemaamme elämää olisi. Ei myöskään elävä, dynaaminen planeetta, jonka tunnemme tänään. Vedellä on keskeinen rooli laattatektoniikassa, sillä se käynnistää tulivuoria ja auttaa vaipan osia virtaamaan vapaammin. Suurin osa vaipasta on kuitenkin suhteellisen kuivaa. Esimerkiksi ylin vaippa on tehty pääasiassa oliviini-nimisestä mineraalista, joka ei pysty varastoimaan paljon vettä.

mutta alle 410 kilometrin siirtymävyöhykkeellä korkeat lämpötilat ja paineet puristavat oliviinin uudeksi kidekokonaisuudeksi, jota kutsutaan wadsleyiitiksi. Vuonna 1987 Coloradon yliopiston mineralogi Joe Smyth tajusi, että wadsleyiten kiderakenteessa olisi aukkoja. Nämä aukot osoittautuvat täydellisiksi vetyatomeille, jotka voisivat käpertyä näihin virheisiin ja sitoutua viereisiin mineraalissa jo oleviin happiatomeihin. Smythin löytämä wadsleyiitti voi mahdollisesti tarttua paljon vetyä, jolloin se muuttuu vetäväksi mineraaliksi, joka tuottaa sulaessaan vettä. Smythin kaltaisille tiedemiehille vety tarkoittaa vettä.

syvemmällä siirtymävyöhykkeellä wadsleyiitti muuttuu ringwoodiitiksi. Ja laboratoriossa Jacobsen (joka oli Smythin jatko-opiskelija 1990-luvulla) puristeli ja kuumensi ringwoodiitin palasia matkiakseen siirtymävyöhykkeen ääriolosuhteita. Tutkijat, jotka tekivät samanlaisia kokeita sekä wadsleyiitillä että ringwoodiitilla, havaitsivat, että siirtymävyöhykkeellä nämä mineraalit voisivat pitää 1-3 prosenttia painostaan vedessä. Kun otetaan huomioon, että siirtymävyöhyke on noin 250 kilometrin paksuinen kuori, jonka osuus maapallon massasta on noin 7 prosenttia (vertailun mukaan kuori on vain 1 prosentti), se voi sisältää moninkertaisesti maapallon valtamerien vettä.

näissä kokeissa mitataan kuitenkin vain vesikapasiteettia. ”Se ei mittaa sitä, kuinka märkä sieni on, vaan sitä, kuinka paljon sieni kestää”, sanoi Ohion osavaltionyliopiston geofyysikko Wendy Panero.

myöskään kokeet eivät olleet välttämättä realistisia, sillä tutkijat pystyivät testaamaan vain laboratoriossa kasvatettua rengastettua ringwoodiittia. Muutamaa meteoriittia lukuun ottamatta kukaan ei ollut koskaan nähnyt ringwoodiittia luonnossa. Eli vuoteen 2014 asti.

ärsyttäviä johtolankoja

jalkapallofanien lähestyessä Brasiliaa vuoden 2014 MM-kisoissa pieni ryhmä geologeja suuntasi Juínan kaupunkia ympäröiville viljelysmaille lähes 2 000 kilometriä Brasiliasta länteen. He olivat etsimässä timantteja, jotka oli pantu paikallisista joista.

kun timantteja muodostuu vaipan kuumuudessa ja korkeassa paineessa, ne voivat vangita kivennäisten palasia. Koska timantit ovat niin kovia ja jäykkiä, ne säilyttävät nämä vaipan mineraalit, kun ne purkautuvat pinnalle tulivuorenpurkauksissa.

tutkijat ostivat yli tuhat pilkullisinta, mineraalitäytteistä kristallia. Yksi tutkijoista, Graham Pearson, vei useita satoja takaisin laboratorioonsa Albertan yliopistoon, jossa hän kollegoineen löysi yhden tietyn timantin sisältä ringwoodiitin siirtymävyöhykkeeltä. Eikä siinä kaikki, vaan se oli vesipitoista ringwoodiittia, mikä tarkoitti, että se sisälsi vettä — noin 1 painoprosentti.

”se on uskottavuuden kannalta tärkeä löytö”, sanoi New Mexicon yliopiston seismologi Brandon Schmandt. Tutkijat saivat ensimmäistä kertaa näytteen siirtymävyöhykkeestä — ja se nesteytettiin. ”Se ei todellakaan ole hullu, niin, ajatella muut osat siirtymävyöhykkeen ovat myös sammutettua.”

mutta, hän lisäsi, ”olisi myös hieman hullua ajatella, että yksi kristalli edustaa koko siirtymävyöhykkeen keskiarvoa.”Timantteja muodostuu loppujen lopuksi vain tietyissä olosuhteissa, ja tämä näyte saattaa olla peräisin ainutlaatuisesta vetisestä paikasta.

nähdäkseen, miten laajalle vesipitoinen ringwoodiitti voisi olla levinnyt, Schmandt liittoutui Jacobsenin ja muiden kanssa kartoittaakseen sen seismisten aaltojen avulla. Konvektion vuoksi vesipitoinen rengaspuuvyöhyke voi vajota, ja kun se putoaa siirtymävyöhykkeen alapuolelle, nouseva paine vääntää vettä ulos aiheuttaen mineraalin sulamisen. Juuri sen siirtymävyöhykkeen alla, johon vaipan aines laskeutuu, nämä sulat mineraalilammikot voivat äkillisesti hidastaa seismisiä aaltoja. Mittaamalla seismisiä nopeuksia Pohjois-Amerikassa tutkijat havaitsivat, että tällaiset altaat näyttävätkin yleisiltä siirtymävyöhykkeen alapuolella. Toisessa tutkimuksessa, jossa mitattiin seismisiä aaltoja Euroopan Alppien alla, havaittiin samanlainen kuvio.

runsas manttelivesi sai jälleen uutta vauhtia maaliskuussa, kun Las Vegasin Nevadan yliopiston mineralogin Oliver Tschaunerin johtama ryhmä löysi timantteja, jotka sisältävät varsinaisia vesijään palasia — ensimmäinen havainto vapaasti olemassa olevasta H2O: sta manttelista. Näytteet voivat kertoa enemmän timantin muodostaneista kosteista olosuhteista kuin mistään kaikkialla olevasta säiliöstä. Mutta koska tätä vettä — korkeapaineen muodostamaa muotoa nimeltä ice-VII – löydettiin eri puolilta eteläistä Afrikkaa ja Kiinaa, se saattoi osoittautua suhteellisen laajalle levinneeksi.

”parin vuoden päästä jää-VII on paljon yleisempi”, sanoi Carnegie Institution for Sciencen geologi Steve Shirey. ”Se kertoo meille, että meillä on sama tarina, jonka vesipohjainen ringwoodite kertoo meille.”

mutta jos tarina on, että mantteli on täynnä vettä, cliffhanger jättää meidät ihmettelemään, miten se kaikki on joutunut sinne.

vetistä alkuperää

vakiotarinan mukaan maahan tuotiin vettä. Aurinkoa ympäröivä alue, jossa planeetta muodostui, oli liian kuuma haihtuvien yhdisteiden, kuten veden, tiivistymiselle. Orastava maa alkoi siis olla kuiva ja kastua vasta sen jälkeen, kun kaukaisen aurinkokunnan vesipitoiset kappaleet törmäsivät planeettaan toimittaen vettä maan pinnalle. Useimmat näistä eivät todennäköisesti olleet komeettoja, vaan hiilikondriitteiksi kutsuttuja asteroideja, joissa voi olla jopa 20 painoprosenttia vettä ja jotka varastoivat sitä ringwoodiitin kaltaiseen vetyyn.

mutta jos siirtymävyöhykkeellä on valtava vesivarasto, tämän tarinan veden alkuperästä täytyisi muuttua. Jos siirtymävyöhyke pystyisi varastoimaan yhden prosentin painostaan veteen-Jacobsenin mukaan maltillisen arvion mukaan-se sisältäisi kaksi kertaa maailman valtameret. Alaperä on paljon kuivempi, mutta myös tuuhea. Se voi tarkoittaa kaikkia maailman valtameriä (jälleen). Kuoressakin on vettä. Jotta subduktioon saataisiin noin paljon vettä pinnalta nykyisellä vauhdilla, se veisi paljon kauemmin kuin planeetan Ikä, Jacobsen sanoi.

Jos näin on, ainakin osa maan sisävesistä lienee aina ollut täällä. Aurinkokunnan alkuaikojen kuumuudesta huolimatta vesimolekyylit saattoivat joidenkin teorioiden mukaan tarttua pölyhiukkasiin, jotka yhdistyivät muodostaen maan.

silti veden kokonaismäärä vaipassa on hyvin epävarma luku. Alapäässä vaipassa saattaa olla vain puolet vähemmän vettä kuin maailman merissä, schmandt ja muut arvioivat.

yläpäässä vaippaan mahtui kaksi tai kolme kertaa enemmän vettä kuin valtamerissä. Jos niitä olisi ollut paljon enemmän, nuoremman maan lisälämpö olisi tehnyt vaipasta liian vetisen ja ränsistyneen mannerlaattojen murtamiseksi, eikä nykyinen laattatektoniikka ehkä ole koskaan päässyt käyntiin. ”Jos pinnalla on kasa vettä, se on hienoa”, sanoi Yalen yliopiston geofyysikko Jun Korenaga. ”Jos sinulla on nippu vettä vaipan, se ei ole hyvä.”

mutta monia epävarmuustekijöitä on jäljellä. Yksi iso kysymysmerkki on alajuoksu, jossa äärimmäiset paineet muuttavat ringwoodiitin bridgmaniitiksi, joka ei kestä paljon vettä ollenkaan. Viimeaikaiset tutkimukset kuitenkin viittaavat siihen, että on olemassa uusia vettä sisältäviä mineraaleja, joita kutsutaan vaihe D: ksi ja vaihe H: ksi.mitä nämä mineraalit tarkalleen ottaen ovat ja kuinka paljon vettä ne saattavat varastoida, on avoin kysymys, Panero sanoi. ”Koska kysymys on täysin avoin, luulen, että manttelin vesipitoisuus jää avoimeksi keskustelulle.”

maan sisävesivaraston mittaaminen ei ole helppoa. Yksi lupaava tapa on mitata vaipan sähkönjohtavuutta, Korenaga sanoi. Mutta ne tekniikat eivät ole vielä niin kehittyneitä kuin seismiset aallot. Ja vaikka seismiset aallot tarjoavat globaalin näkymän maan sisäosiin, Kuva ei ole aina selvä. Signaalit ovat hienovaraisia, ja tutkijat tarvitsevat tarkempaa tietoa ja parempaa ymmärrystä realistisemman manttelimateriaalin ominaisuuksista pelkän ringwoodiitin ja wadsleyiitin sijaan. Nämä kaksi mineraalia muodostavat noin 60 prosenttia siirtymävyöhykkeestä, ja loput muodostavat monimutkaisen sekoituksen muita mineraaleja ja yhdisteitä.

useampien timanttien löytäminen vesipitoisilla mineraaleilla auttaisi sekin. Jacobsenin laboratoriossa se työ lankeaa jatko-opiskelija Michelle Wenzille. Hän käyttää Argonnen kansallisessa laboratoriossa voimakkaita röntgensäteitä jokaisen mineraalin sijainnin kartoittamiseen.niitä voi olla puoli tusinaa. Sitten hän tunnistaa mineraalit ja mittaa röntgensäteet – ja mittaa, miten säteet hajoavat sen kiderakenteesta. Sadoista brasilialaisista timanteista hän on käynyt läpi noin 60. Ei vielä vettä.

vettä tai ei, nämä syvyyksistä tulleet kapselit ovat hänen mukaansa edelleen uskomattomia. ”Jokainen on niin ainutlaatuinen”, hän sanoi. ”Ne muistuttavat paljon lumihiutaleita.”

korjaus: Tätä artikkelia on tarkistettu 11. heinäkuuta 2018 kirjoitusvirheen korjaamiseksi; vaippaan, ei valtamereen, mahtui kaksi tai kolme kertaa enemmän vettä kuin valtameriin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.