Det var en forårsdag i 2009, og John McNeill havde en lomme fuld af diamanter.
Relateret indhold
- Jordens vand kan være lige så gammelt som jorden selv
- Hvad vi kan lære ved at grave hemmelighederne bag jordens dybe kulstof
- Der kan være et andet massivt hav dybt under overfladen
Hans ph.d.-rådgiver, geokemiker Graham Pearson, havde sendt McNeill til et laboratorium i Wien med en filmdåse, der skramlede med ”ultradep” diamanter. Dette var ikke de glitrende perler fra en smykkebutik, men de ru, kedelige diamanter, der var eksploderet mod overfladen fra et område hundreder af miles dybt i jordens mantel kaldet overgangszonen Minearbejdere i Brasiliens Juína-distrikt havde opdaget dem flere år før . Juveler havde passeret de uklare sten, men for forskere var disse dyrebare mineraler vinduer ind i den dybe jord.
I et mørklagt laboratorium sigtede McNeill en lysstråle på overfladen af sten efter sten og målte spektret spredt af diamanterne og deres urenheder - i håb om at finde mineraler i disse indeslutninger, der kunne fortælle ham, hvordan disse diamanter dannede sig.
Hvad han i stedet opdagede, gav forskere det første konkrete bevis for, at der var vand dybt inde i Jorden. Hvis der var et stort reservoir af vandmolekyler integreret i mineraler hundreder af miles under jorden, kunne det forklare, hvordan vores blå planet udviklede sig til et med pladetektonik og vand og til sidst blev beboelig. At forstå denne proces er ikke kun historisk: Jo mere vi ved om, hvad der gjorde livet muligt på vores planet, forskere argumenterer, jo mere vil vi vide om at finde en beboelig uden for vores solsystem.
På det tidspunkt var McNeill forsker ved Durham University. Da han og Lutz Nasdala, videnskabsmanden i hvis laboratorium han arbejdede, sammenlignede det spektrum, der blev skabt af en urenhed i en af diamanterne mod en database med mineraler, fandt de noget overraskende: En mikroskopisk fleck af grønlig krystal fanget i diamanten lignede det kan være ringwoodit, et mineral, der kun nogensinde var blevet syntetiseret i laboratorier eller fundet på meteoritter. Det havde aldrig vist sig i materiale fra Jorden.
Hvis det var, ville det være en big deal. Syntetisk ringwoodit var kendt for at være i stand til at inkorporere vandmolekyler i dens struktur. Så denne jordprøve kan muligvis endelig kunne afvikle en årtier lang debat om mængden af vand, der er fanget i overgangsområdet - et lag, der strækker sig fra 250 til 400 mil under jordskorpen - og hvordan det kom der.
I slutningen af 1980'erne forudsagde geofysiker Joseph Smyth fra University of Colorado, Boulder, at visse mineraler i mantelens overgangszone muligvis har plads i deres strukturer til molekyler af vand. Men fordi ingen kunne bore så langt ned i overgangsområdet for at se direkte, var det meste af beviset for dette enten teoretisk eller resultatet af laboratorieeksperimenter. Andre forskere var uenige og bemærkede, at den måde, hvorpå et jordskælvs seismiske bølger bevægede sig under overfladen - og forekomsten af dybe jordskælv - forudsagde en tør overgangszone.
McNeills diamant leverede et Ærstørrelsesvindue ind i dette skjulte lag midt på Jorden, hvilket gjorde det muligt for forskere at få et glimt af sammensætningen af vores planet.
Cirka to år senere var McNeill uddannet, og Pearson flyttede fra Durham University for at fortsætte sin forskning på University of Alberta i Canada. På en vinterdag i 2011, i et vinduesløst kælderlaboratorium, suspenderede Pearsons kollega Sergej Matveev omhyggeligt den ringwooditholdige diamant i et infrarødt mikroskop for at analysere indholdet af den lille indeslutning.
Det tog Matveev et par timer at placere diamanten helt rigtigt, så han kunne tage en måling. Men når han først havde haft det på plads, tog det kun et par minutter at få deres resultater: ringwooditten indeholdt vand.
Matveev forsøgte at forblive rolig, men Pearson var begejstret. Han foretrækker ikke at gentage, hvad han sagde i det øjeblik, han indså, at teori og laboratorieeksperimenter nu kunne bakkes op af en direkte observation af vand fra dybt i jordens mantel.
”Det er muligvis ikke udskrivbart, ” siger han.
En blålig krystal af ringwoodit inde i en diamant-amboltcelle. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson og deres kolleger offentliggjorde deres opdagelse i tidsskriftet Nature i 2014, men spørgsmålet forblev: hvor repræsentativ var denne lille diamant i hele overgangsområdet? De to videnskabsmænd var omhyggelige med at bemærke, at deres papir kun tegnede vand i den lille lomme på den mantel, hvor denne diamant var dannet.
Hvis denne lille ringwoodite-prøve virkelig var repræsentativ, kunne overgangszonen indeholde lige så meget vand som alle jordens oceaner - muligvis mere. Og hvis det gjorde det, kunne det hjælpe med at forklare, hvordan pladetektonik bevæger sig, og danner bjerge og vulkaner.
Geofysiker Steve Jacobsen fra Northwestern University advarer mod at forestille sig dette vand som Jules Vernes underjordiske hav fyldt med sømonstre. I stedet sammenligner han vand i overgangsområdet til mælken i en kage. Flydende mælk går ind i dejen, men når kagen først kommer ud af ovnen, indgår de flydende mælkekomponenter i kagens struktur - den er ikke våd længere, men den er stadig der.
Og Jacobsen troede, at han havde en måde at finde ud af, hvor meget af dette vand, der blev "bagt" ind i jorden under Nordamerika.
Inde i vores planet bevæger sig utroligt varm og let tyktflydende klippe nogle steder hen imod overfladen, mens den i andre siver mod kernen i en langsom strøm kaldet konvektion. Når mineraler som ringwoodit passerer fra højere til lavere dybder i mantlen, fordrejer de høje temperaturer og tryk mineralets struktur. Blåstemt ringwoodit for eksempel starter som en grøn krystal kaldet olivin nær overfladen, metamorfoser til ringwoodit i overgangszonen og skifter til bridgmanit, når den bevæger sig til den nedre mantel. Men i modsætning til ringwoodit holder bridgmanit ikke vand.
Jacobsen teoretiserede, at hvis ringwoodit i overgangsområdet virkelig indeholdt så meget vand, som Pearsons diamant antydede, så ville vandet sive ud af ringwooditten som magma, når mineralet blev presset og opvarmet til at blive bridgmanit.
Så Jacobsen lavede ringwoodit, der indeholdt vand i laboratoriet, klemte det mellem to diamanter i en lommeformet skruestik, kaldet en diamant-amboltpresse, og opvarmede den med en højdrevet laser. Da han undersøgte resultaterne, fandt han, at de høje temperaturer og tryk faktisk havde skubbet vandet ud af stenen og skabt små dråber magma.
Jacobsen troede, at hvis ringwoodit faktisk oozede vandrig magma, da den blev presset ned i den nedre mantel, så skulle disse plaster af magma bremse et jordskælves seismiske bølger - hvilket skaber en slags seismisk signatur for vand.
Så Jacobsen samarbejdede med seismolog Brandon Schmandt fra University of New Mexico for at kigge efter disse underskrifter i de data, der blev indsamlet af National Science Foundation's gitter af mobile seismometre kaldet US Array, som langsomt bevægede sig østover over Nordamerika. Forskerne så de seismiske hikke, de forudsagde, lige hvor de troede, de ville - ved grænsen mellem overgangsområdet og Jordens nedre mantel.
Når han forsøger at beskrive, hvad disse resultater betød for ham, taber Jacobsen sig for ord. ”Det var virkelig det punkt, hvor jeg følte, at de sidste 20 år af min forskning var værd, ” siger han endelig. Han og Schmandt havde fundet bevis for, at vand blev fanget i mantelens overgangszone under det meste af USA, og de offentliggjorde deres fund i tidsskriftet Science i 2014.
Men der var stadig en stor blind plet: ingen vidste, hvor dette vand var kommet fra.
Arbejdere ekstraherer diamanter i Juina-regionen i Brasilien. (Graham Pearson / University of Alberta) I september 2014 begyndte Alexander Sobolev at finde “friske” prøver af sjældne, 2, 7 milliarder år gamle lavabergarter, kaldet komatiites, i håb om at lære om, hvordan de dannede sig.
Sobolev, en professor i geokemi fra Grenoble Alpes Universitet i Frankrig, kørte sig gennem dele af Canadas Abitibi greenstone-bælte med en hammer - bankede komatiitter, der så lovende ud, og lyttede omhyggeligt til den tynde percussion. De bedste, siger han, giver en ren og smuk lyd.
Sobolev og hans kolleger Nicholas Arndt, også fra Grenoble Alpes Universitet, og Evgeny Asafov fra Russlands Vernadsky Institute of Geochemistry indsamlede knytnævestore bunker af disse klipper for at tage tilbage til Frankrig. Der knuste de dem og ekstraherede de bittesmå grønne korn af olivin, der var beliggende inde inden de sendte olivinfragmenterne til Rusland for at blive opvarmet til mere end 2.400 grader F og derefter hurtigt afkølet. De analyserede de smeltede og afkølede indeslutninger, der var fanget inde i olivinen for at forstå, hvad der var sket med magma-plummerne, da de skød op gennem mantelen.
Sobolevs team opdagede, at selvom disse komatiitter ikke indeholdt så meget vand som Pearsons ringwoodit, så det ud som den magma, der dannede dem, havde samlet og indarbejdet en lille mængde vand, da den rejste gennem mantlen - sandsynligvis da den passerede gennem overgangen zone. Dette ville betyde, at mantlets overgangszone indeholdt vand for 2, 7 milliarder år siden.
Dette tidspunkt er vigtigt, fordi der er en række forskellige - men potentielt komplementære - teorier om hvornår og hvordan Jorden erhvervede sit vand, og hvordan dette vand kom vej dybt ind i mantelen.
Den første teori siger, at den unge planet Jorden var for varm til at tilbageholde noget vand, og at den ankom senere, idet han løb en tur på tunge meteoritter eller kometer. Dette vand gled derefter ind i mantelen, når tektoniske plader bevægede sig over hinanden i en proces kaldet subduktion. Den anden teori siger, at der har været vand på vores planet siden begyndelsen - det vil sige lige siden en sky af gas og støv samles sammen for at danne vores solsystem for 4, 6 milliarder år siden. Dette oprindelige vand kunne have været fanget inde i Jorden under dens optagelse og på en eller anden måde formået at modstå den unge planets brændende varme.
Så hvis vand var i jordens overgangszone for 2, 7 milliarder år siden, siger Sobolev, betyder det, at enten bevægelsen af tektoniske plader måtte have startet meget tidligere i planetens historie, end videnskabsmænd i øjeblikket tror, eller at vandet var her helt fra begyndelsen .
Lydia Hallis mistænker for det første, at vandet har været der hele tiden. Hallis, en planetvidenskabsmand ved University of Glasgow, sammenlignede hvad hun kalder de forskellige "smagsstoffer" af vand i gamle klipper fra den dybe mantel og i almindeligt havvand for flere år siden. Mens subduktion blander vand i de øverste niveauer af mantelen, forbliver de dybeste dele relativt uberørte.
Vand består af to molekyler brint og et molekyle ilt. Nogle gange, når det er inkorporeret i klipper, består det faktisk af et brint og et ilt, kaldet en hydroxylgruppe. Forskellige former eller isotoper af brint har forskellige molekylvægte, og den tungere brintisotop er kendt som deuterium.
Forskere mener, at vandet indeholdt i det begynnende solsystem, hvor Jorden dannede sig, meget mere regelmæssigt brint end deuterium. Men efterhånden som vand er vedvarende på jordoverfladen, slap de lettere brintmolekyler lettere ud i rummet og koncentrerede deuterium i vores atmosfære og oceaner.
Hallis fandt, at vand fanget i sten fra det canadiske arktis, der blev dannet af magma med oprindelse dybt i jordens mantel, havde et lavere forhold mellem deuterium og brint end havvand. Forholdet i disse sten lignede mere tæt på, hvad forskere synes, at oprindeligt vand så ud, hvilket antydede, at vand var en komponent i jordens mantel helt fra begyndelsen.
Dette udelukker ikke muligheden for, at fugtige rumarter også smugede ind i jorden og delte noget af deres vand. Men debatten raser videre. "Sådan fungerer videnskaben, " siger Hallis. "Du har ret, indtil nogen beviser dig forkert."
En diamant-amboltcelle bruges til at simulere forhold dybt inde i Jorden og presse prøver ved hjælp af enormt tryk. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson spekulerede på, om en undersøgelse af forholdet mellem deuterium og brint i hans ringwoodit-indeslutning måske kunne fortælle ham mere om, hvorvidt vandet i overgangsområdet var primordialt, om det var der som et resultat af subduktion, eller om det var lidt af begge dele.
Han rekrutterede Mederic Palot - en geokemiker i øjeblikket ved Jean Monnet University i Frankrig - for at polere diamanten ned til ringwoodite-indeslutningen, så de kunne analysere brintmolekylerne fanget inde. Det var en risikabel proces. At bringe en diamant op fra sådanne dybder betød, at dens indersider var under meget belastning. Skæring og polering af diamanten kan beskadige den og medtage den uden reparation.
Palot var forsigtig. Han skabte en slags køleplade lavet af tør is, så diamanten ikke ville overophedes, da han barberede små fliser fra mineralets overflade med en laser. Efter hvert minut af polering tog han diamanten over til et mikroskop for at sikre sig, at den dyrebare ringwoodite-optagelse stadig var der.
Efter 12 timers polering vidste Palot, at han var ved at komme tæt på inkluderingen. Han kontrollerede diamanten under mikroskopet kl. 23 - næsten der. Han polerede i endnu et minut og kontrollerede derefter diamanten igen. Inkluderingen var væk.
Palot søgte febrilsk efter det i en hel dag og skurede området omkring mikroskopet efter en plet ringwoodit, der var mindre end et støvkorn.
Han husker den forfærdelige følelse af at skulle ringe til Pearson for at aflevere nyheden om, at den eneste prøve af ringved, der nogensinde blev opdaget, at var blevet dannet i Jorden, var væk.
Men Pearson tænkte allerede på det næste projekt. ”Han sagde: 'Det er spil, vi ved, at vi gambler på det, '” minder Palot. Og så fortalte Pearson ham, at de havde en anden prøve, der kunne være interessant. Han havde for nylig taget en tur til den samme region i Brasilien, hvor den ringwooditholdige diamant kom fra, og han bragte nye perler tilbage - hver med lovende indeslutninger til at studere. Nu arbejder Palot, Pearson, Jacobsen og andre sammen for at analysere en diamant endnu dybere inden i mantlen.
For Palot og hver af disse forskere handler det om at se på krystaller, der kommer ud dybt inde i vores planet, mere end at identificere ingredienserne, der blev bagt i jorden for milliarder af år siden.
”Hele dette punkt handler om selve livet, ” siger Palot. ”Vi ved, at livet er tæt knyttet til vand. Hvis vi ved bedre vandcyklussen, ved vi bedre, hvordan livet opstod. ”
Og hvis vi ved, hvordan livet stammer fra vores planet, kunne det potentielt hjælpe os med at finde liv - eller livsbærende forhold - på andre.
Jacobsen tilføjer, ”Vi opdager nu potentielt beboelige planeter uden for vores solsystem. Og jo mere vi ved om, hvordan en beboelig planet ser ud, jo mere vil vi være i stand til at genkende dem. ”
Deres søgning efter vand dybt inde i Jorden, siger Jacobsen, har aldrig været mere relevant.
Lær mere om denne forskning og mere på Deep Carbon Observatory.
