Ia adalah hari musim bunga pada tahun 2009, dan John McNeill mempunyai saku penuh berlian.
Kandungan Terkait
- Air Bumi Mungkin Lama Seperti Bumi Sendiri
- Apa yang Kita Boleh Belajar dengan Menggali Rahsia Karbon Dalam Bumi
- Ada Mungkin Menjadi Laut Besar Kedua Di Dalam Permukaan
Penasihat PhD, ahli geokimia Graham Pearson, telah menghantar McNeill ke sebuah makmal di Vienna dengan sebuah kanister filem yang menggegarkan dengan berlian "ultradeep". Ini bukan permata permata dari sebuah kedai perhiasan, tetapi berlian kasar dan membosankan yang meledak ke arah permukaan dari kawasan beratus-ratus batu jauh di dalam mantel Bumi yang disebut zon peralihan. Para penambang di daerah Juína, Brazil telah menemui mereka beberapa tahun sebelum . Barang kemas telah melewati batu-batu yang mendung, tetapi bagi saintis, mineral berharga ini adalah tingkap ke dalam Bumi.
Dalam makmal gelap, McNeill mensasarkan sinar cahaya ke atas permukaan batu selepas batu, mengukur spektrum yang bertaburan oleh berlian dan kekotoran mereka - dengan harapan dapat mencari mineral dalam inklusi ini yang dapat memberitahunya bagaimana berlian ini terbentuk.
Apa yang ditemuinya dan bukannya memberi saintis bukti konkrit pertama bahawa ada air di dalam Bumi. Sekiranya ada takungan air molekul yang terintegrasi ke dalam mineral beratus-ratus batu di bawah tanah, ia dapat menjelaskan bagaimana planet biru kita berkembang menjadi satu dengan tektonik plat dan air, dan akhirnya menjadi tempat tinggal. Memahami proses itu bukan hanya bersejarah: Semakin kita tahu tentang apa yang menjadikan kehidupan mungkin di planet kita, saintis berpendapat, semakin kita akan tahu tentang mencari tempat yang boleh dihuni di luar sistem suria kita.
Pada masa itu, McNeill adalah penyelidik di Durham University. Apabila dia dan Lutz Nasdala, saintis di mana makmalnya bekerja, berbanding spektrum yang dicipta oleh satu kekotoran di salah satu berlian menentang pangkalan data mineral, mereka mendapati sesuatu yang mengejutkan: Sebuah bulu mikroskopis kristal kehijauan terperangkap dalam berlian kelihatan seperti ia mungkin ringwoodite, mineral yang pernah disintesis dalam makmal atau dijumpai pada meteorit. Ia tidak pernah ditunjukkan dalam bahan dari Bumi.
Sekiranya ia berlaku, ia akan menjadi masalah besar. Ringwoodit sintetik diketahui dapat menggabungkan molekul air ke dalam strukturnya. Sampel terestrial ini akhirnya boleh menyelesaikan perdebatan selama beberapa dekad mengenai kuantiti air terperangkap dalam zon peralihan-lapisan yang terbentang dari 250 hingga 400 batu di bawah kerak-dan bagaimana ia sampai di sana.
Pada akhir 1980-an, ahli geofizik Joseph Smyth dari University of Colorado, Boulder meramalkan bahawa mineral tertentu di zon peralihan mantel mungkin mempunyai ruang dalam struktur mereka untuk molekul air. Tetapi kerana tiada siapa yang boleh mengebor jauh ke dalam zon peralihan untuk melihat langsung, kebanyakan bukti untuk ini sama ada teori atau hasil percubaan makmal. Para saintis lain tidak bersetuju, dengan menyatakan bahawa gelombang seismik gempa bumi bergerak ke bawah permukaan-dan kekurangan gempa bumi yang mendalam-meramalkan zon peralihan yang kering.
Berlian McNeill menyediakan tingkap bersaiz kacang ke dalam lapisan tersembunyi ini di tengah-tengah Bumi, membolehkan para penyelidik untuk melihat sekilas komposisi planet kita.
Kira-kira dua tahun kemudian, McNeill telah lulus dan Pearson telah berpindah dari Durham University untuk meneruskan penyelidikannya di University of Alberta di Kanada. Pada hari musim sejuk pada tahun 2011, di makmal bawah tanah tanpa jendela, rakan sekerja Pearson, Sergei Matveev dengan susah payah menggantung berlian yang mengandungi ringwoodite di dalam mikroskop inframerah untuk menganalisis isi kemasukan kecil.
Ia mengambil Matveev beberapa jam untuk meletakkan berlian tepat supaya dia boleh mengambil ukuran. Tetapi sebaik sahaja ia berada di tempat itu, hanya mengambil masa beberapa minit untuk mendapatkan hasilnya: ringwoodite mengandungi air.
Matveev cuba untuk bertenang, tetapi Pearson teruja. Dia lebih suka untuk tidak mengulangi apa yang dikatakannya pada saat ia menyadari bahawa eksperimen teori dan makmal kini dapat disokong oleh pemerhatian langsung air dari jauh di dalam mantel Bumi.
"Ia tidak boleh dicetak, " katanya.
Satu kristal ringwoodite di dalam sel berlian-anvil. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson dan rakan-rakan mereka menerbitkan penemuan mereka dalam jurnal Nature pada tahun 2014, tetapi persoalannya kekal: bagaimana perwakilan berlian kecil ini di seluruh zon peralihan? Kedua-dua saintis berhati-hati melihat bahawa kertas mereka menyediakan bukti air hanya di dalam saku kecil mantel di mana berlian ini telah terbentuk.
Sekiranya sampel ringwoodite kecil ini benar-benar mewakili, maka zon peralihan boleh mengandungi banyak air kerana semua lautan-mungkin lebih banyak. Dan jika ia berlaku, ia dapat membantu menjelaskan bagaimana plat tektonik bergerak, membentuk gunung dan gunung berapi.
Ahli geofizik Steve Jacobsen dari Northwestern University memberi amaran terhadap membayangkan air ini sebagai lautan di bawah tanah Jules Verne yang penuh dengan raksasa laut. Sebaliknya, dia menyamakan air di zon peralihan dengan susu dalam kek. Susu cecair masuk ke adunan, tetapi apabila kek keluar dari ketuhar, komponen susu cair dimasukkan ke dalam struktur kek itu - ia tidak basah lagi, tetapi masih ada.
Dan Jacobsen fikir dia mempunyai cara untuk mengetahui betapa banyak air ini "dibakar" ke Bumi di bawah Amerika Utara.
Di dalam planet kita, batu yang sangat panas dan sedikit likat bergerak ke arah permukaan di beberapa tempat, sementara di sisi lain ia meleleh ke arah inti dalam arus yang dipanggil perlahan. Sebagai mineral seperti transit cincinit dari kedalaman yang lebih tinggi dan lebih rendah di dalam mantel, suhu dan tekanan yang tinggi melambatkan struktur mineral. Sebagai contoh, ringwoodite berwajah biru bermula sebagai kristal hijau yang disebut olivine di dekat permukaan, metamorfoses ke ringwoodite di zon peralihan, dan berubah menjadi bridgmanit ketika ia bergerak ke mantel bawah. Tetapi tidak seperti ringwoodite, bridgmanit tidak memegang air.
Jacobsen berteori bahawa jika ringwoodite di zon peralihan benar-benar terkandung banyak air sebagai berlian Pearson yang dicadangkan, maka air itu akan mengalir keluar dari ringwoodite sebagai magma apabila mineral itu diperas dan dipanaskan menjadi bridgmanit.
Jadi Jacobsen membuat ringwoodite yang mengandungi air di makmal, memerahnya di antara dua berlian dalam naungan bersaiz saku yang dipanggil akhbar berlian anvil, dan dipanaskan dengan laser berkuasa tinggi. Apabila dia meneliti hasilnya, dia mendapati bahawa suhu dan tekanan yang tinggi telah memerah air dari batu itu, menghasilkan titisan kecil magma.
Jacobsen berpendapat bahawa jika ringwoodite benar-benar melepaskan magma yang kaya dengan air kerana ia ditekan ke dalam mantel bawah, maka patch magma ini harus melambatkan gelombang seismik gempa-mewujudkan sejenis tandatangan seismik untuk air.
Jadi Jacobsen bekerjasama dengan ahli seismologi Brandon Schmandt dari University of New Mexico untuk mencari tanda tangan dalam data yang dikumpul oleh grid seismometer mudah alih Yayasan Sains Nasional yang disebut Array AS yang perlahan-lahan bergerak ke timur di seluruh Amerika Utara. Para penyelidik menyaksikan percikan seismik yang mereka ramalkan betul di mana mereka mengira mereka akan berada di sempadan antara zon peralihan dan mantel bawah Bumi.
Apabila dia cuba untuk menerangkan apa hasilnya kepadanya, Jacobsen kehilangan kata-kata. "Itu benar-benar titik di mana saya merasakan bahawa 20 tahun penyelidikan saya adalah berbaloi, " katanya akhirnya. Dia dan Schmandt telah menemui bukti bahawa air terjebak dalam zon peralihan mantel di bawah kebanyakan Amerika Syarikat, dan mereka menerbitkan penemuan mereka dalam jurnal Sains pada tahun 2014.
Tetapi masih ada tempat buta yang besar: tiada siapa tahu di mana air ini datang.
Pekerja ekstrak berlian di rantau Juina Brazil. (Graham Pearson / University of Alberta) Pada bulan September 2014, Alexander Sobolev menemui contoh "segar" batu-batu lava langka yang berusia 2.7 bilion tahun yang dipanggil komatiit, dengan harapan dapat mengetahui bagaimana mereka terbentuk.
Sobolev, seorang profesor geokimia dari Grenoble Alpes University di Perancis, membuat jalannya melalui bahagian tali pinggang greenstone Abitibi Kanada dengan komatiit yang mengetuk tukul yang kelihatan menjanjikan, dan mendengar dengan teliti dengan perkusi tinny. Yang terbaik, katanya, membuat bunyi yang bersih dan cantik.
Sobolev dan rakan-rakannya, Nicholas Arndt, juga dari Universiti Grenoble Alpes, dan Evgeny Asafov dari Institut Geokimia Vernadsky dari Russia mengumpul potongan-potongan berskala kecil untuk mengembalikannya ke Perancis. Di sana, mereka menghancurkan mereka dan mengeluarkan bijirin hijau olivin yang kecil di dalamnya sebelum menghantar serpihan olivine ke Rusia untuk dipanaskan hingga lebih dari 2, 400 darjah F dan kemudian didinginkan dengan cepat. Mereka menganalisis cincin lebur dan sejuk yang terperangkap di dalam olivine untuk memahami apa yang berlaku pada bulu-bulu magma ketika mereka menembak melalui mantel.
Pasukan Sobolev mendapati bahawa walaupun komatiit ini tidak mengandungi banyak air sebagai ringwoodite Pearson, ia kelihatan seperti magma yang membentuk mereka telah mengambil dan memasukkan sejumlah kecil air ketika melintasi mantel-mungkin ketika ia melewati peralihan Zon. Ini bermakna zon peralihan mantel mengandungi air 2.7 bilion tahun yang lalu.
Titik masa ini adalah penting kerana terdapat beberapa teori yang berbeza-tetapi mungkin pelengkap tentang kapan dan bagaimana Bumi memperoleh airnya, dan bagaimana air ini membuat jalan jauh ke dalam mantel.
Teori pertama mengatakan bahawa bumi planet muda terlalu panas untuk mengekalkan sebarang air dan kemudian tiba, menunggang meteorit atau komet yang basah. Air ini kemudian tergelincir ke dalam mantel apabila plat tektonik berpindah ke satu sama lain dalam proses yang dipanggil subduksi. Teori kedua mengatakan bahawa air telah berada di planet kita sejak awal - iaitu, sejak awan gas dan habuk bersatu untuk membentuk sistem solar kita 4.6 bilion tahun yang lalu. Air primordial ini boleh terperangkap di dalam Bumi semasa penambahannya, dan entah bagaimana berjaya menahan panas terik bumi.
Jadi jika air berada di zon peralihan Bumi 2.7 bilion tahun yang lalu, Sobolev berkata, ini bermakna sama ada pergerakan plat tektonik perlu bermula lebih awal dalam sejarah planet daripada saintis yang kini percaya, atau bahawa air di sini dari awal .
Lydia Hallis, untuk satu, mengesyaki bahawa air telah ada di sana sepanjang masa. Hallis, seorang saintis planet di University of Glasgow, membandingkan apa yang dia panggil "rasa" air yang berbeza di dalam batu purba dari mantel dalam dan dalam air laut biasa beberapa tahun yang lalu. Walaupun subduction mencampurkan air ke bahagian atas mantel, bahagian terdalam tetap bersih.
Air terdiri daripada dua molekul hidrogen dan satu molekul oksigen. Kadang kala, apabila ia dimasukkan ke dalam batu, ia sebenarnya terdiri daripada satu hidrogen dan satu oksigen, yang dipanggil kumpulan hidroksil. Bentuk, atau isotop, hidrogen mempunyai berat molekul yang berbeza, dan isotop hidrogen yang lebih berat dikenal sebagai deuterium.
Para saintis berfikir bahawa di tempat di sistem solar yang baru di mana Bumi terbentuk, air mengandungi lebih banyak hidrogen tetap daripada deuterium. Tetapi seperti air telah berterusan di permukaan Bumi, molekul hidrogen yang lebih ringan melarikan diri ke ruang lebih mudah, menumpukan deuterium di atmosfera dan lautan kita.
Hallis mendapati bahawa air yang terperangkap dalam batu dari Arktik Kanada yang dibentuk oleh magma yang berasal dari dalam mantel bumi mempunyai deuterium yang lebih rendah terhadap nisbah hidrogen daripada air laut. Nisbah di batu-batu itu lebih mirip dengan apa yang difikirkan oleh para saintis seperti air primordial, menunjukkan bahawa air adalah komponen mantel bumi sejak awal.
Ini tidak mengecualikan kemungkinan bahawa batuan ruang lembap juga memasuki Bumi dan berkongsi beberapa air mereka. Tetapi perbahasan itu terus berlaku. "Itulah cara sains berfungsi, " kata Hallis. "Anda betul, sehingga seseorang membuktikan anda salah."
Sel berlian-anvil digunakan untuk meniru keadaan di dalam Bumi, memerah sampel dengan menggunakan tekanan yang sangat besar. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson tertanya-tanya jika memeriksa nisbah antara deuterium dan hidrogen dalam penyertaan ringwoodite beliau mungkin memberitahunya lebih lanjut sama ada air di zon peralihan adalah primordial, jika ada di sana sebagai hasil subduksi, atau sama ada ia adalah sedikit keduanya.
Dia merekrut Mederic Palot-seorang ahli geokimia yang kini berada di Universiti Jean Monnet di Perancis-untuk menggilap berlian ke dalam cincin ringwoodite sehingga mereka dapat menganalisis molekul hidrogen yang terperangkap di dalamnya. Ia adalah satu proses yang berisiko. Membawa berlian dari kedalaman sedemikian bermakna bahawa bahagian dalamnya berada di bawah banyak ketegangan. Pemotongan dan penggilapan berlian boleh merosakkannya dan kemasukannya tidak dapat diperbaiki.
Palot berhati-hati. Dia menciptakan sejenis sink haba yang diperbuat daripada ais kering supaya berlian tidak akan terlalu panas ketika dia mencukur kepingan kecil dari permukaan mineral dengan laser. Selepas setiap minit penggilap, dia mengambil berlian ke mikroskop untuk memastikan bahawa kemasukan ringwoodite berharga masih ada.
Selepas 12 jam penggilap, Palot tahu dia semakin dekat dengan kemasukan itu. Dia memeriksa berlian di bawah mikroskop pada pukul 11 malam-hampir di sana. Dia digilap untuk satu minit lagi dan kemudian memeriksa berlian lagi. Kemasukan telah hilang.
Palot mencari-cari hari itu sepanjang hari, menjelajahi kawasan sekitar mikroskop itu untuk sejenis ringwoodite yang lebih kecil daripada sebiji debu.
Dia mengingati perasaan dahsyat yang perlu memanggil Pearson untuk menyampaikan berita bahawa satu-satunya sampel ringwoodite yang pernah ditemui yang telah terbentuk di Bumi telah hilang.
Tetapi Pearson sudah memikirkan projek seterusnya. "Dia berkata, 'Itu permainan, kita tahu bahawa kita berjudi pada itu, '" kata Palot. Dan kemudian Pearson memberitahunya bahawa mereka mempunyai satu lagi sampel yang mungkin menarik. Beliau baru-baru ini telah melakukan perjalanan ke rantau Brazil yang sama di mana berlian yang mengandung ringwoodite berasal, dan dia membawa kembali permata baru-masing-masing dengan kemasukan yang baik untuk belajar. Sekarang, Palot, Pearson, Jacobsen dan lain-lain bekerja sama untuk menganalisis berlian dari jauh lebih dalam mantel.
Bagi Palot dan masing-masing saintis, melihat kristal yang muncul dari jauh di dalam planet kita adalah lebih daripada mengenal pasti bahan-bahan yang dibakar ke bumi berbilion tahun lalu.
"Inti ini adalah mengenai kehidupan itu sendiri, " kata Palot. "Kita tahu bahawa kehidupan berkait rapat dengan air. Jika kita tahu lebih baik kitaran air, kita tahu lebih baik bagaimana kehidupan bermula. "
Dan jika kita tahu bagaimana kehidupan berasal dari planet kita, ia berpotensi membantu kita mencari kehidupan atau keadaan yang dapat mengekalkan kehidupan-pada orang lain.
Jacobsen menambah, "Kami kini menemui planet berpotensi yang boleh dihuni di luar sistem solar kami. Dan semakin kita tahu tentang planet yang kelihatan seperti itu, semakin kita dapat mengenali mereka. "
Mereka mencari air jauh di dalam Bumi, kata Jacobsen, tidak pernah lebih relevan.
Ketahui mengenai penyelidikan ini dan banyak lagi di Balai Cerap Deep Carbon.
