kilkaset diamentów wielkości Kamyku, wyrwanych z brazylijskiego błota, siedzi w sejfie na Northwestern University. Dla niektórych mogą być bezwartościowe. „Są poobijane”, powiedział Steve Jacobsen, mineralog z Northwestern. „Wyglądają, jakby przeszli przez pralkę.”Wiele z nich jest ciemnych lub żółtych, dalekich od dziewiczych klejnotów marzeń jubilerów.

jednak dla naukowców takich jak Jacobsen, te fragmenty krystalicznego węgla są równie cenne-nie dla samego diamentu, ale dla tego, co jest zamknięte w środku: skrawki minerałów wykute setki kilometrów pod ziemią, głęboko w płaszczu Ziemi.

te mineralne drobinki — niektóre zbyt małe, aby zobaczyć nawet pod mikroskopem — oferują wgląd w nieosiągalne wnętrze Ziemi. W 2014 roku badacze dostrzegli coś osadzonego w tych minerałach, co, gdyby nie jego głębokie pochodzenie, byłoby niczym niezwykłym: wodę.

nie rzeczywiste krople wody, a nawet cząsteczki H20, ale jego składniki, atomy wodoru i tlenu osadzone w strukturze krystalicznej samego minerału. Ten nawodniony minerał nie jest mokry. Ale kiedy się topi, wylewa wodę. Odkrycie było pierwszym bezpośrednim dowodem na to, że minerały bogate w wodę istnieją tak głęboko, między 410 A 660 km w dół, w regionie zwanym strefą przejściową, umieszczoną między górnym i dolnym płaszczem.

od tego czasu naukowcy znaleźli bardziej kuszące dowody wody. W marcu zespół ogłosił, że odkrył diamenty z płaszcza Ziemi, które mają rzeczywistą wodę w środku. Dane sejsmiczne odwzorowały również minerały przyjazne dla wody w dużej części wnętrza Ziemi. Niektórzy naukowcy twierdzą, że ogromny zbiornik wody może czaić się daleko pod naszymi stopami. Jeśli uznamy wszystkie wody powierzchniowe planety za jeden ocean i okaże się, że pod ziemią znajduje się nawet kilka oceanów, zmieni to sposób, w jaki naukowcy myślą o wnętrzu Ziemi. Ale rodzi też inne pytanie: Skąd to wszystko mogło pochodzić?

Wodny Świat

bez wody życie, jakie znamy, nie istniałoby. Tak samo jak żywa, dynamiczna planeta, którą znamy dzisiaj. Woda odgrywa integralną rolę w tektonice płyt, wyzwalając wulkany i pomagając swobodniej przepływać części górnego płaszcza. Mimo to większość płaszcza jest stosunkowo sucha. Górny płaszcz, na przykład, składa się głównie z minerału zwanego oliwinem, który nie może przechowywać dużo wody.

ale poniżej 410 kilometrów, w strefie przejściowej, wysokie temperatury i ciśnienia wyciskają oliwin w nową konfigurację krystaliczną o nazwie wadsleyite. W 1987 Joe Smyth, mineralog z University of Colorado, zdał sobie sprawę, że struktura krystaliczna wadsleyite będzie dotknięta lukami. Luki te okazują się być idealne dla atomów wodoru, które mogą przytulać się do tych defektów i wiązać się z sąsiednimi atomami tlenu już w minerale. Wadsleyit, znaleziony przez Smytha, może potencjalnie chwytać dużo wodoru, zamieniając go w wodnisty minerał, który wytwarza wodę, gdy się topi. Dla naukowców takich jak Smyth Wodór oznacza wodę.

głębiej w strefie przejściowej wadsleyit staje się ringwooditem. A w laboratorium Jacobsen (który był absolwentem Smytha w 1990 roku) ściskał i podgrzewał kawałki ringwoodite, aby naśladować ekstremalne warunki strefy przejściowej. Naukowcy przeprowadzający podobne eksperymenty zarówno z wadsleyitem, jak i ringwooditem odkryli, że w strefie przejściowej minerały te mogą pomieścić od 1 do 3 procent swojej wagi w wodzie. Biorąc pod uwagę, że strefa przejściowa jest grubą na około 250 kilometrów skorupą, która stanowi około 7 procent masy Ziemi (dla porównania skorupa ma tylko 1 procent), może zawierać kilka razy wodę ziemskich oceanów.

te eksperymenty, jednak tylko zmierzyć pojemność wody. „To nie jest pomiar, jak mokra jest gąbka, to pomiar, ile gąbka może pomieścić”, powiedziała Wendy Panero, geofizyk z Ohio State University.

eksperymenty również nie były realistyczne, ponieważ badacze mogli testować tylko wyhodowany w laboratorium ringwoodite. Oprócz kilku meteorytów, nikt nigdy nie widział ringwoodite w przyrodzie. Czyli do 2014 roku.

kuszące wskazówki

podczas gdy fani piłki nożnej zbierali się w Brazylii na Mistrzostwa Świata 2014, niewielka Grupa geologów udała się na pola uprawne wokół Juíny, miasta prawie 2000 kilometrów na zachód od Brasilii. Polowali na diamenty wydobywane z lokalnych rzek.

gdy diamenty tworzą się w upale i wysokim ciśnieniu płaszcza, mogą uwięzić kawałki minerałów. Ponieważ diamenty są tak twarde i sztywne, zachowują te minerały płaszcza, gdy są wyrzucane na powierzchnię przez erupcje wulkanów.

naukowcy kupili ponad tysiąc najbardziej nakrapianych, wypełnionych minerałami kryształów. Jeden z naukowców, Graham Pearson, zabrał kilkaset z powrotem do swojego laboratorium na Uniwersytecie Alberty, gdzie, w jednym konkretnym diamencie, on i jego koledzy odkryli ringwoodite ze strefy przejściowej. Nie tylko to, ale był to wodorosty ringwoodyt, co oznaczało, że zawierał wodę-około 1% masy.

„to ważne odkrycie pod względem wiarygodności”, powiedział Brandon Schmandt, sejsmolog z Uniwersytetu w Nowym Meksyku. Po raz pierwszy naukowcy mieli próbkę strefy przejściowej — i została uwodniona. „To zdecydowanie nie jest szalone myśleć, że inne części strefy zmian również są nawodnione.”

ale, dodał, ” byłoby też trochę szalone myśleć, że jeden kryształ reprezentuje średnią całej strefy przejściowej.”Diamenty powstają przecież tylko w pewnych warunkach, a ta próbka może pochodzić z wyjątkowo wodnistego miejsca.

aby zobaczyć, jak rozpowszechniony może być Hydro ringwoodite, Schmandt połączył siły z Jacobsenem i innymi, aby zmapować go za pomocą fal sejsmicznych. Dzięki konwekcji wodnisty ringwoodite może tonąć, a gdy spada poniżej strefy przejściowej, rosnące ciśnienie wykręca wodę, powodując stopienie się minerału. Tuż pod strefą przejściową, w której materiał płaszcza maleje, te baseny stopionych minerałów mogą gwałtownie spowolnić fale sejsmiczne. Mierząc prędkości sejsmiczne w Ameryce Północnej, naukowcy odkryli, że rzeczywiście takie baseny wydają się powszechne poniżej strefy przejściowej. Inne badania mierzące fale sejsmiczne w Alpach europejskich wykazały podobny wzór.

obfita woda w płaszczu nabrała jeszcze większego tempa w marcu, kiedy zespół pod kierownictwem Olivera Tschaunera, mineraloga z Uniwersytetu Nevada w Las Vegas, odkrył diamenty, które zawierają rzeczywiste kawałki lodu wodnego — pierwszą obserwację swobodnie istniejącego H2O z płaszcza. Próbki mogą powiedzieć więcej o mokrych warunkach, które utworzyły diament, niż o istnieniu wszechobecnego zbiornika. Ale ponieważ ta woda-wysokociśnieniowa forma zwana ice-VII-została znaleziona w różnych miejscach w południowej Afryce i Chinach, może okazać się stosunkowo rozpowszechniona.

„za kilka lat odkryjemy, że ice-VII jest znacznie bardziej powszechny” – powiedział Steve Shirey, geolog z Carnegie Institution for Science. „Mówi nam, że mamy tę samą historię, którą opowiada nam Hydro ringwoodite.”

ale jeśli historia jest taka, że płaszcz jest pełen wody, cliffhanger pozostawia nas zastanawiając się, jak to wszystko się tam znalazło.

wodniste pochodzenie

zgodnie ze standardową opowieścią woda ziemska była importowana. Obszar wokół Słońca, w którym powstała planeta, był zbyt gorący, aby skraplały się lotne związki, takie jak woda. Tak więc rodząca się ziemia zaczęła być sucha, zmokła dopiero po tym, jak bogate w wodę ciała z odległego układu słonecznego uderzyły w planetę, dostarczając wodę na powierzchnię. Większość z nich nie była kometami, ale raczej asteroidami zwanymi chondrytami węglowymi, które mogą mieć do 20% masy wody, przechowując ją w postaci wodoru, takiego jak ringwoodyt.

ale jeśli w strefie przejściowej jest ogromny zapas wody, ta historia pochodzenia wody musiałaby się zmienić. Gdyby strefa przejściowa mogła przechowywać 1 procent swojej wagi w wodzie — umiarkowane oszacowanie, powiedział Jacobsen-zawierałaby dwa razy więcej oceanów na świecie. Dolny płaszcz jest znacznie bardziej suchy, ale także obszerny. To może wynieść do wszystkich oceanów świata (ponownie). W skorupie też jest woda. Aby subdukcja obejmowała tyle wody z powierzchni w obecnym tempie, zajęłoby to znacznie dłużej niż wiek planety, powiedział Jacobsen.

Jeśli tak, to przynajmniej część wody z wnętrza Ziemi musiała tu być od zawsze. Pomimo ciepła we wczesnym Układzie Słonecznym, cząsteczki wody mogły przyklejać się do cząstek pyłu, które połączyły się tworząc ziemię, według niektórych teorii.

jednak całkowita ilość wody w płaszczu jest bardzo niepewna. Schmandt i inni twierdzą, że w dolnej części płaszcza może znajdować się tylko połowa wody, jaka znajduje się w oceanach świata.

na wysokim końcu płaszcz może pomieścić dwa lub trzy razy więcej wody w oceanach. Gdyby było o wiele więcej, dodatkowe ciepło młodszej Ziemi sprawiłoby, że płaszcz stałby się zbyt wodnisty i ciekły, by złamać płyty kontynentalne, a dzisiejsza tektonika płyt mogła nigdy się nie rozpocząć. „Jeśli na powierzchni jest mnóstwo wody, to świetnie” – powiedział Jun Korenaga, geofizyk z Uniwersytetu Yale. „Jeśli masz garść wody w płaszczu, nie jest dobrze.”

ale pozostaje wiele wątpliwości. Dużym znakiem zapytania jest niższy płaszcz, w którym ekstremalne ciśnienie zmienia ringwoodite w bridgmanit, który nie może utrzymać dużej ilości wody. Ostatnie badania sugerują jednak obecność nowych minerałów wodonośnych nazwanych fazą D i fazą H. dokładnie to, jak te minerały są i ile wody mogą przechowywać, pozostaje kwestią otwartą, powiedział Panero. „Ponieważ jest to szeroko otwarte pytanie, myślę, że zawartość wody w płaszczu pozostaje otwarta na debatę.”

pomiar wewnętrznego magazynowania wody w ziemi nie jest łatwy. Jednym z obiecujących sposobów jest pomiar przewodności elektrycznej płaszcza, powiedział Korenaga. Ale te techniki nie są jeszcze tak zaawansowane jak, powiedzmy, wykorzystanie fal sejsmicznych. I chociaż fale sejsmiczne oferują globalny widok wnętrza Ziemi, obraz nie zawsze jest jasny. Sygnały są subtelne, a badacze potrzebują dokładniejszych danych i lepszego zrozumienia właściwości bardziej realistycznego materiału płaszcza, zamiast tylko ringwoodite i wadsleyite. Te dwa minerały stanowią około 60 procent strefy przejściowej, reszta jest złożoną mieszanką innych minerałów i związków.

znalezienie większej ilości diamentów z minerałami wodnymi też by pomogło. W laboratorium Jacobsena praca ta przypadła studentce Michelle Wenz. Dla każdego diamentu używa potężnych promieni rentgenowskich w Argonne National Laboratory, aby zmapować położenie każdej drobiny minerału, z czego może być ich pół tuzina. Następnie, aby zidentyfikować minerały, wysyła promienie rentgenowskie na każdy bit i mierzy, jak promienie rozpraszają jego strukturę krystaliczną. Spośród setek diamentów w laboratorium, wszystkie z Brazylii, przeszła około 60. Jeszcze nie ma wody.

woda czy nie, te kapsułki z głębin wciąż są niesamowite. „Każdy z nich jest tak wyjątkowy,” powiedziała. „Są jak płatki śniegu.”

korekta: Ten artykuł został zmieniony 11 lipca 2018 r., aby poprawić błąd typograficzny; to płaszcz, a nie ocean, może pomieścić dwa lub trzy razy więcej wody w oceanach.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.