ett par hundra diamanter i stenstorlek, plockade från Brasiliansk lera, sitter i ett kassaskåp vid Northwestern University. För vissa kan de vara värdelösa. ”De är misshandlade”, säger Steve Jacobsen, en mineralog i Northwestern. ”De ser ut som om de har gått igenom en tvättmaskin.”Många är mörka eller gula, långt ifrån de orörda pärlorna i juvelerarnas drömmar.

men för forskare som Jacobsen är dessa fragment av kristallint kol lika värdefulla-inte för diamanten själv, men för vad som är låst inuti: fläckar av mineraler smidda hundratals kilometer under jord, djupt i jordens mantel.

dessa mineralfläckar — några för små för att se även under ett mikroskop-ger en titt på jordens annars oåtkomliga inre. I 2014 skymtade forskare något inbäddat i dessa mineraler som, om inte för sitt djupa ursprung, skulle ha varit unremarkable: vatten.

inte faktiska droppar vatten, eller till och med molekyler av H20, men dess ingredienser, atomer av väte och syre inbäddade i själva mineralets kristallstruktur. Detta vattenhaltiga mineral är inte vått. Men när det smälter, ut spiller vatten. Upptäckten var det första direkta beviset på att vattenrika mineraler finns så djupt, mellan 410 och 660 kilometer ner, i en region som kallas övergångszonen, inklämd mellan de övre och nedre mantlarna.

sedan dess har forskare funnit mer tantalizing bevis på vatten. I mars meddelade ett team att de hade upptäckt diamanter från jordens mantel som har faktiskt vatten inneslutet inuti. Seismiska data har också kartlagt vattenvänliga mineraler över en stor del av jordens inre. Vissa forskare hävdar nu att en stor vattenreservoar kan lura långt under våra fötter. Om vi betraktar hela planetens ytvatten som ett hav, och det visar sig vara några hav under jorden, skulle det förändra hur forskare tänker på jordens inre. Men det väcker också en annan fråga: var kunde allt komma ifrån?

vattenvärlden

utan vatten skulle livet som vi känner det inte existera. Inte heller skulle den levande, dynamiska planet vi känner till idag. Vatten spelar en integrerad roll i plattektonik, utlöser vulkaner och hjälper delar av den övre manteln att flöda mer fritt. Ändå är det mesta av manteln relativt torr. Den övre manteln är till exempel främst gjord av ett mineral som kallas olivin, som inte kan lagra mycket vatten.

men under 410 kilometer, i övergångszonen, pressar höga temperaturer och tryck olivin i en ny kristallkonfiguration som kallas wadsleyit. 1987 insåg Joe Smyth, en mineralog vid University of Colorado, att wadsleyites kristallstruktur skulle drabbas av luckor. Dessa luckor visar sig vara perfekta för väteatomer, som kan snuggla in i dessa defekter och binda med de intilliggande syreatomerna som redan finns i mineralet. Wadsleyite, Smyth hittade, kan potentiellt ta tag i mycket väte och förvandla det till ett vattenhaltigt mineral som producerar vatten när det smälter. För forskare som Smyth betyder väte vatten.

djupare i övergångszonen blir wadsleyit ringwoodite. Och i labbet skulle Jacobsen (som var Smyths doktorand på 1990-talet) pressa och värma bitar av ringwoodite för att efterlikna de extrema förhållandena i övergångszonen. Forskare som gör liknande experiment med både wadsleyit och ringwoodite fann att i övergångszonen kunde dessa mineraler hålla 1 till 3 procent av sin vikt i vatten. Med tanke på att övergångszonen är ett ungefär 250 kilometer tjockt skal som står för cirka 7 procent av jordens massa (i jämförelse är skorpan bara 1 procent), kan den innehålla flera gånger vattnet i jordens hav.

dessa experiment mäter emellertid endast Vattenkapacitet. ”Det är inte en mätning av hur våt svampen är, det är en mätning av hur mycket svampen kan hålla”, säger Wendy Panero, geofysiker vid Ohio State University.

inte heller var experimenten nödvändigtvis realistiska, eftersom forskare bara kunde testa lab-odlad ringwoodite. Bortsett från några meteoriter hade ingen någonsin sett ringwoodite i naturen. Det vill säga fram till 2014.

Tantalizing Clues

medan fotbollsfans konvergerade på Brasilien för världscupen 2014, gick en liten grupp geologer till jordbruksmarkerna runt ju Brasilina, en stad nästan 2000 kilometer väster om Brasilia. De var på jakt efter diamanter som hade panorerats från lokala floder.

När diamanter bildas i mantelens värme och höga tryck kan de fånga bitar av mineraler. Eftersom diamanter är så tuffa och styva, bevarar de dessa mantelmineraler eftersom de sprängs till ytan via vulkanutbrott.

forskarna köpte mer än tusen av de mest fläckiga, mineralfyllda kristallerna. En av forskarna, Graham Pearson, tog flera hundra tillbaka till sitt laboratorium vid University of Alberta, där, inuti en viss diamant, han och hans kollegor upptäckte ringwoodite från övergångszonen. Inte bara det, men det var vattenhaltig ringwoodite, vilket innebar att den innehöll vatten — cirka 1 viktprocent.

”det är en viktig upptäckt när det gäller plausibilitet”, säger Brandon Schmandt, en seismolog vid University of New Mexico. För första gången hade forskare ett urval av övergångszonen — och det hydratiserades. ”Det är definitivt inte galet att tro att andra delar av övergångszonen också är hydratiserade.”

men, tillade han, ” det skulle också vara lite galet att tro att en kristall representerar genomsnittet av hela övergångszonen.”Diamanter bildas trots allt endast under vissa förhållanden, och detta prov kan komma från en unik vattnig plats.för att se hur utbredd vattenhaltig ringwoodite kan vara, samarbetade Schmandt med Jacobsen och andra för att kartlägga den med seismiska vågor. På grund av konvektion kan vattenhaltig ringwoodite sjunka, och när den sjunker under övergångszonen vrider det stigande trycket vatten ut och får mineralet att smälta. Strax under övergångszonen där mantelmaterialet sjunker, kan dessa pooler av smälta mineraler plötsligt sakta ner seismiska vågor. Genom att mäta seismiska hastigheter under Nordamerika fann forskarna att sådana pooler faktiskt verkar vanliga under övergångszonen. En annan studie som mätte de seismiska vågorna under de europeiska alperna fann ett liknande mönster.

rikligt mantelvatten fick ännu en boost i mars när ett team ledt av Oliver Tschauner, en mineralogist vid University of Nevada, Las Vegas, upptäckte diamanter som innehåller faktiska bitar av vattenis — den första observationen av fritt existerande H2O från manteln. Proverna kan säga mer om de våta förhållandena som bildade diamanten än förekomsten av någon allestädes närvarande reservoar. Men eftersom detta vatten-en högtrycksform som kallas ice-VII-hittades på olika platser i södra Afrika och Kina, det kan visa sig vara relativt utbrett.

”om några år kommer vi att hitta ice-VII är mycket vanligare”, säger Steve Shirey, en geolog vid Carnegie Institution for Science. ”Det säger oss att vi har samma historia som hydrous ringwoodite berättar för oss.”

men om historien är att manteln är full av vatten, låter cliffhanger oss undra hur allt kom dit.

vattnigt Ursprung

enligt standardberättelsen importerades jordens vatten. Regionen runt solen där planeten bildades var för varm för flyktiga föreningar som vatten att kondensera. Så den framväxande jorden började torka och blev våt först efter att vattenrika kroppar från det avlägsna solsystemet kraschade in i planeten och levererade vatten till ytan. De flesta av dessa var sannolikt inte kometer utan snarare asteroider som kallas kolhaltiga kondriter, som kan vara upp till 20 viktprocent vatten och lagra det i en form av väte som ringwoodite.

men om det finns ett stort lager av vatten i övergångszonen, skulle denna historia om vattnets ursprung behöva förändras. Om övergångszonen kunde lagra 1 procent av sin vikt i vatten — en måttlig uppskattning, sa Jacobsen — den skulle innehålla två gånger världens hav. Den nedre manteln är mycket torrare men också voluminös. Det kan uppgå till alla världens hav (igen). Det finns vatten i skorpan också. För subduktion att införliva så mycket vatten från ytan i nuvarande takt, det skulle ta mycket längre tid än planetens ålder, sa Jacobsen.

om så är fallet måste åtminstone en del av jordens inre vatten alltid ha varit här. Trots värmen i det tidiga solsystemet kunde vattenmolekyler ha fastnat på dammpartiklarna som sammanfördes för att bilda jorden, enligt vissa teorier.

ändå är den totala mängden vatten i manteln en mycket osäker siffra. I den nedre delen kan manteln hålla bara hälften så mycket vatten som i världens hav, enligt Schmandt och andra.

på den höga änden kan manteln hålla två eller tre gånger mängden vatten i oceanerna. Om det fanns mycket mer än så, skulle den yngre jordens extra värme ha gjort manteln för vattnig och rinnande för att bryta kontinentalplattorna, och dagens plattektonik kanske aldrig har börjat. ”Om du har en massa vatten i ytan är det bra”, säger Jun Korenaga, geofysiker vid Yale University. ”Om du har en massa vatten i manteln är det inte bra.”

men många osäkerheter kvarstår. Ett stort frågetecken är den nedre manteln, där extrema tryck gör ringwoodite till bridgmanite, som inte kan hålla mycket vatten alls. Nya studier, dock, tyder på förekomsten av nya vattenbärande mineraler dubbade fas D och fas H. exakt vad dessa mineraler är som och hur mycket vatten de kan lagra förblir en öppen fråga, Panero sa. ”Eftersom det är en vidöppen fråga Tror jag att vatteninnehållet i manteln förblir öppet för debatt.”

att mäta jordens inre vattenlagring är inte lätt. Ett lovande sätt är att mäta mantelens elektriska ledningsförmåga, sade Korenaga. Men dessa tekniker är ännu inte så avancerade som att använda seismiska vågor. Och medan seismiska vågor erbjuder en global bild av jordens inre, är bilden inte alltid klar. Signalerna är subtila, och forskare behöver mer exakta data och en bättre förståelse för egenskaperna hos mer realistiskt Mantelmaterial, istället för bara ringwoodite och wadsleyite. Dessa två mineraler utgör cirka 60 procent av övergångszonen, resten är en komplex blandning av andra mineraler och föreningar.

att hitta fler diamanter med vattenhaltiga mineraler skulle också hjälpa. I Jacobsens labb faller det jobbet till doktoranden Michelle Wenz. För varje diamant använder hon kraftfulla röntgenstrålar vid Argonne National Laboratory för att kartlägga platsen för varje mineralfläck, av vilka det kan finnas ett halvt dussin. Sedan, för att identifiera mineralerna, spränger hon röntgenstrålar på varje bit och mäter hur strålarna sprider sin kristallstruktur. Av de hundratals diamanter i labbet, alla från Brasilien, hon har gått igenom cirka 60. Inget vatten än.

vatten eller inte, sa hon, dessa kapslar från djupet är fortfarande fantastiska. ”Var och en är så unik”, sa hon. ”De är mycket som snöflingor.”

korrigering: Denna artikel reviderades den 11 juli 2018 för att korrigera ett typografiskt fel; det är manteln, inte havet, som kan hålla två eller tre gånger mängden vatten i haven.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.