זה היה יום אביב ב -2009, ולג'ון מקניל היה כיס מלא ביהלומים.
תוכן קשור
- מי כדור הארץ עשויים להיות ישנים כמו כדור הארץ עצמו
- מה אנו יכולים ללמוד על ידי חפירת סודות הפחמן העמוק בכדור הארץ
- יכול להיות אוקיינוס מסיבי שני עמוק מתחת לפני השטח
יועץ הדוקטורט שלו, הגאוכימיסט גרהאם פירסון, שלח את מקניל למעבדה בוינה עם קנקן קולנוע שקשקש ביהלומים "אולטרה-אפיים". אלה לא היו אבני חן נוצצות של חנות תכשיטים, אך היהלומים המחוספסים והעמומים שהתפוצצו לעבר השטח מאזור של מאות קילומטרים בעומק כדור הארץ, שכונה אזור המעבר שכורים במחוז Juína בברזיל גילו אותם כמה שנים לפני כן . תכשיטנים העבירו את האבנים המעוננות, אך עבור מדענים מינרלים יקרים אלה היו חלונות אל כדור הארץ העמוק.
במעבדה חשוכה, כיוון מקניל קרן אור אל פני השטח של אבן אחר אבן, ומדד את הספקטרום המפוזר ביהלומים ואת זיהומיהם - בתקווה למצוא מינרלים בתכלילים הללו שיכולים לספר לו כיצד נוצרו היהלומים הללו.
מה שגילה במקום זאת העניק למדענים את הראיות המוחשיות הראשונות לכך שיש מים בעומק כדור הארץ. אם היה מאגר עצום של מולקולות מים המשולבות במינרלים מאות קילומטרים מתחת לאדמה, זה יכול היה להסביר כיצד כוכב הלכת הכחול שלנו התפתח לכדי אחד עם טקטוניקת צלחות ומים, ובסופו של דבר הפך למגורים. הבנת התהליך הזה אינה היסטורית בלבד: ככל שנדע יותר על מה שאפשר את החיים בכוכב הלכת שלנו, טוענים המדענים, כך נדע יותר למצוא מקום מגורים מחוץ למערכת השמש שלנו.
באותה תקופה מקניל היה חוקר באוניברסיטת דורהאם. כשהוא ולוץ נסדלה, המדען במעבדתו הוא עבד, השוו את הספקטרום שנוצר כתוצאה מטומאה באחד היהלומים מול מאגר של מינרלים, הם מצאו משהו מפתיע: כתם מיקרוסקופי של גביש ירקרק שנלכד בתוך היהלום נראה כמו יכול להיות שזה רינגווד, מינרל שעבר רק סינתזה במעבדות או נמצא על מטאוריטים. הוא מעולם לא הופיע בחומרים מכדור הארץ.
אם זה היה, זה יהיה עניין גדול. היה ידוע כי הטבעת הסינתטית הייתה מסוגלת לשלב מולקולות מים במבנה שלה. כך שמדגם יבשתי זה עשוי סוף סוף להיות מסוגל לקיים דיון באורך עשרות שנים על כמות המים שנלכדה באזור המעבר - שכבה המשתרעת בין 250 ל -400 מיילים מתחת לקרום - וכיצד הגיעו לשם.
בסוף שנות השמונים חזה הגיאופיזיקאי ג'וזף סמית 'מאוניברסיטת קולורדו, בולדר שמינרלים מסוימים באזור המעבר של המעטפת עשויים לקבל מקום במבנים שלהם למולקולות מים. אך מכיוון שאיש לא יכול היה לקדוח כל כך רחוק לאזור המעבר כדי להביט ישירות, רוב הראיות לכך היו תיאורטיות או תוצאה של ניסויים במעבדה. מדענים אחרים לא הסכימו והציינו כי האופן בו הגלים הסיסמיים של רעידת האדמה נעו מתחת לפני השטח - וחלל השכיחות של רעידות אדמה עמוקות - ניבאו אזור מעבר יבש.
היהלום של מקניל סיפק חלון בגודל אפונה לשכבה נסתרת זו במרכז כדור הארץ, ואיפשר לחוקרים לקבל הצצה להרכב כוכב הלכת שלנו.
כשנתיים לאחר מכן, מקניל סיים את לימודיו, ופירסון עבר מאוניברסיטת דורהאם כדי להמשיך במחקר באוניברסיטת אלברטה בקנדה. ביום חורפי בשנת 2011, במעבדת מרתף נטולת חלונות, השעיק עמיתו של פירסון, סרגיי מטייב, בדקדקנות את היהלום המכיל הטבעת בתוך מיקרוסקופ אינפרא אדום כדי לנתח את תוכן ההכללה הזעירה.
לקח למטייב כמה שעות למקם את היהלום בדיוק כך שיוכל לבצע מדידה. אבל ברגע שהיה לו את זה במקום, לקח רק כמה דקות להגיע לתוצאותיהם: הטבעת הכילה מים.
מטבייב ניסה להישאר רגוע, אך פירסון התרגש. הוא מעדיף לא לחזור על דברים שאמר ברגע בו הבין שניתן כעת לגבות ניסויים בתיאוריה ומעבדה על ידי התבוננות ישירה במים בעומק מעטפת כדור הארץ.
"יתכן שלא ניתן להדפיס אותו", הוא אומר.
קריסטל כחלחל של טבעת טבעת בתוך תא סדן יהלום. (סטיב ג'ייקובסן / אוניברסיטת נורת'ווסטרן) מקניל, פירסון ועמיתיהם פרסמו את תגליתם בכתב העת Nature בשנת 2014, אך השאלה נותרה: עד כמה היה הייצוג היהלום הזעיר הזה של כל אזור המעבר? שני המדענים הקפידו לציין כי העיתון שלהם סיפק עדויות למים רק בכיס הקטן של המעטפת בה נוצר יהלום זה.
אם מדגם הטבעת הזעיר הזה היה מייצג באמת, אז אזור המעבר יכול להכיל מים כמו כל האוקיינוסים של כדור הארץ - אולי יותר. ואם כן, זה יכול לעזור להסביר כיצד נעים טקטוניקות צלחות ויוצרים הרים והרי געש.
הגיאופיזיקאי סטיב ג'ייקובסן מאוניברסיטת נורת'ווסטרן מזהיר מפני חזיית המים הללו כאל האוקיאנוסים התת-קרקעיים של ז'ול ורן מלאים במפלצות ים. במקום זאת, הוא משווה מים באזור המעבר לחלב בעוגה. חלב נוזלי נכנס לבלילה, אבל ברגע שהעוגה יוצאת מהתנור, רכיבי החלב הנוזלי משולבים במבנה העוגה - היא כבר לא רטובה, אבל היא עדיין שם.
וג'ייקובסן חשב שיש לו דרך לגלות עד כמה המים האלה "נאפים" לכדור הארץ מתחת לצפון אמריקה.
בתוך כדור הארץ שלנו, סלע חם וצמיג מעט להפליא נע לעבר פני השטח במקומות מסוימים, בעוד שבאחרים הוא גולש לעבר הגרעין בזרם איטי שנקרא הסעה. כאשר מינרלים כמו רינגווד עוברים מעומקים גבוהים יותר ונמוכים במעטפת, הטמפרטורות והלחצים הגבוהים מעוותים את מבנה המינרל. טבעת רינגטון כחולה, למשל, מתחילה כגביש ירוק שנקרא אוליבין קרוב לפני השטח, מטמורפוזות לטבעת טבעית באזור המעבר, ומשתנה לברידגמניט כשהוא עובר למעטה התחתון. אבל בניגוד לטבעת העץ, ברידגמנית לא מחזיקה מים.
ג'ייקובסן תיאר כי אם הטבעת באזור המעבר באמת מכילה מים רבים כפי שהציע היהלום של פירסון, אז המים יזרמו מתוך הטבעת כמאגמה כאשר הסחיטה את המינרל והתחממה להיות ברידגמנית.
אז יעקובסן הכין רינגווד שהכיל מים במעבדה, סחט אותם בין שני יהלומים בסלע בגודל כיס שנקרא מכבש סדן יהלומי, וחימם אותם בלייזר בעל עוצמה גבוהה. כשבחן את התוצאות גילה כי הטמפרטורות והלחצים הגבוהים אכן סחטו את המים מהאבן, ויצרו טיפות מאגמה קטנטנות.
ג'ייקובסן חשב שאם רינגוודייט אכן תירס מאגמה עשירה במים כשהוא נלחץ אל המעטה התחתון, אז כתמי המאגמה האלה צריכים להאט את הגלים הסיסמיים של רעידת אדמה - ויוצרים סוג של חתימה סיסמית למים.
אז ג'ייקובסן שיתף פעולה עם הסייסמולוג ברנדון שמנדט מאוניברסיטת ניו מקסיקו כדי לחפש חתימות אלה בנתונים שנאספו על ידי רשת הקרנות הלאומית למדע של סייסמומטרים ניידים המכונה המערך האמריקני שנע אט אט מזרחה ברחבי צפון אמריקה. החוקרים ראו את השיהוקים הסיסמיים שהם חזו ממש במקום שהם חשבו שהם ימצאו - בגבול שבין אזור המעבר למעטפת התחתונה של כדור הארץ.
כאשר הוא מנסה לתאר מה התוצאות הללו משמעותו עבורו, ג'ייקובסן מאבד מילים. "זו באמת הנקודה בה הרגשתי שעשרים השנים האחרונות של המחקר שלי היו כדאיות", הוא אומר לבסוף. הוא ושמנדט גילו ראיות לכך שמים נלכדו באזור המעבר של המעטפת מתחת לרוב ארצות הברית, והם פרסמו את ממצאיהם בכתב העת Science בשנת 2014.
אבל עדיין הייתה נקודה עיוורת גדולה: איש לא ידע מאיפה הגיעו המים האלה.
עובדים מוציאים יהלומים באזור ג'וינה בברזיל. (גרהם פירסון / אוניברסיטת אלברטה) בספטמבר 2014 יצא אלכסנדר סובולב למצוא דגימות "טריות" של סלעי לבה נדירים, בני 2.7 מיליארד שנה, שנקראו קומתיטים, בתקווה ללמוד על התהוותם.
סובולב, פרופסור לגיאוכימיה מאוניברסיטת גרנובל אלפס בצרפת, עשה את דרכו בחלקים מחגורת האבנים של גרינסטון אביטיבי בקנדה בעזרת פטיש - מקיש על הקומטים שנראו מבטיחים, והקשיב היטב לכלי ההקשה הזעירים. הטובים ביותר, לדבריו, משמיעים צליל נקי ויפה.
סובולב ועמיתיו ניקולס ארנדט, אף הם מאוניברסיטת גרנובל אלפס, ואבגני אסאפוב ממכון ורנאדסקי לרוסיה מכימיה גיאוכימיה אספו נתחי סלעים בגודל אגרוף כדי לקחת חזרה לצרפת. שם, הם ריסקו אותם וחילצו את גרגרי הזיתים הקטנים והירוקים ששוכנו בפנים לפני ששילחו את שברי הזית לרוסיה כדי להתחמם ליותר מ -2, 400 מעלות ואז התקררו במהירות. הם ניתחו את התכלילים המותכים והקוררים שנלכדו בתוך הזית בכדי להבין מה קרה עם פלומות המאגמה כשירו דרך המעטפת.
הצוות של סובולב גילה שאמנם הקומאטים האלה לא מכילים מים כמו הטבעת של פירסון, אבל זה נראה כמו שהמאגמה שיצרה אותם אספה ושילבה כמות קטנה של מים בזמן שהיא עברה דרך המעטפת - ככל הנראה כשהיא עברה במעבר אזור. פירוש הדבר הוא שאזור המעבר של המעטפת הכיל מים לפני 2.7 מיליארד שנה.
נקודת זמן זו חשובה מכיוון שיש מספר תיאוריות שונות - אך בעלות פוטנציאל משלים - לגבי מתי וכיצד רכשה כדור הארץ את מימיה, וכיצד מים אלה עשו את דרכם לעומק המעטפת.
התיאוריה הראשונה אומרת כי כוכב הלכת הצעיר כדור הארץ היה חם מכדי לשמור על מים ושהוא הגיע מאוחר יותר, ותפס טרמפ על מטאוריטים או שביטים מעורפלים. לאחר מכן החליקו מים אלה למעטפת כאשר לוחות טקטוניים עברו זה מעל זה בתהליך שנקרא תת-הכרה. התיאוריה השנייה מספרת כי מים נמצאים בכוכב הלכת שלנו כבר מההתחלה - כלומר, מאז שענן גז ואבק התגבש ויצרו את מערכת השמש שלנו לפני 4.6 מיליארד שנה. מים קדומים אלה היו יכולים להיות כלואים בתוך כדור הארץ במהלך הצטברותם, ואיכשהו הצליחו לעמוד בחום הצורב של הכוכב הצעיר.
אז אם מים היו באזור המעבר של כדור הארץ לפני 2.7 מיליארד שנה, אומר סובולב, זה אומר שתנועת הלוחות הטקטוניים הייתה חייבת להתחיל הרבה מוקדם יותר בתולדות כדור הארץ מכפי שמדענים כיום מדענים, או שהמים היו כאן כבר מההתחלה .
לידיה האליס, למשל, חושדת שהמים היו שם לאורך כל הדרך. האליס, מדענית כוכבי לכת מאוניברסיטת גלזגו, השוותה את מה שהיא מכנה "טעמי" המים השונים בסלעים קדומים מן המעטפת העמוקה ובמי ים רגילים לפני מספר שנים. בעוד שאינדוקציה מערבבת מים לרמות העליונות של המעטפת, החלקים העמוקים ביותר נשארים בתוליים יחסית.
מים מורכבים משתי מולקולות מימן ומולקולת חמצן אחת. לפעמים, כאשר הוא משולב בסלעים, הוא למעשה מורכב ממימן אחד וחמצן אחד, המכונה קבוצת הידרוקסיל. יש צורות שונות, או איזוטופים, של מימן, בעלות משקולות מולקולריות שונות, והאיזוטופ המימני הכבד יותר מכונה deuterium.
מדענים חושבים שבנקודה במערכת השמש המתהווה בה נוצר כדור הארץ, מים הכילו מימן רגיל בהרבה מאשר Deuterium. אך ככל שמים התמשכו על פני כדור הארץ, מולקולות המימן הקלות יותר ברחו לחלל ביתר קלות, תוך ריכוז הדאוטריום באטמוספירה ובאוקיינוסים שלנו.
האליס מצא כי מים שנלכדו באבנים מהארקטי הארקטי הקנדי שנוצרו על ידי מאגמה שמקורם עמוק במעטפת כדור הארץ היו ביחס לדאוטריום למימן נמוך יותר מאשר מי ים. היחס באבנים אלה דמה יותר למראה המדענים שחשבו כי מים קדומים נראו, מה שמרמז כי מים היו מרכיב במעטפת כדור הארץ כבר מההתחלה.
זה לא שולל את האפשרות שגם סלעי חלל לחים התנפצו לכדור הארץ וחלקו חלק מהמים שלהם. אבל הוויכוח מתמשך. "ככה עובד המדע", אומר האליס, "אתה צודק, עד שמישהו יוכיח שאתה טועה."
תא סדן יהלום משמש להדמיית תנאים בעומק כדור הארץ, וסוחט דגימות באמצעות לחצים עצומים. (סטיב ג'ייקובסן / אוניברסיטת נורת'ווסטרן) פירסון תהה אם בחינת היחס בין דויטריום למימן בהכללת הטבעת שלו עשויה לספר לו יותר אם המים באזור המעבר קדומים, אם הם היו שם כתוצאה מהכנעה, או שמא זה היה קצת משניהם.
הוא גייס את פאלו פאלו - גיאוכימאי שנמצא כיום באוניברסיטת ז'אן מונט בצרפת - כדי ללטש את היהלום עד להכללת הטבעת כדי שיוכלו לנתח את מולקולות המימן שנלכדו בפנים. זה היה תהליך מסוכן. העלאת יהלום ממעמקים כאלה פירושה שפני הקרקע היו תחת עומס רב. חיתוך וליטוש היהלום עלול להזיק לו ולכלולו ללא תיקון.
פלאוט נזהר. הוא יצר מעין גוף קירור עשוי קרח יבש כך שהיהלום לא יתייבש יתר על המידה כשהוא מגלח חלקיקים זעירים מעל פני המינרל באמצעות לייזר. אחרי כל דקה של ליטוש, הוא העביר את היהלום למיקרוסקופ כדי לוודא שההכללה היקרית של הטבעת עדיין שם.
אחרי 12 שעות של ליטוש, פלוט ידע שהוא מתקרב לשילוב. הוא בדק את היהלום מתחת למיקרוסקופ בשעה 23 בערב - כמעט שם. הוא ליטש עוד דקה ואז בדק שוב את היהלום. ההכללה נעלמה.
פליוט חיפש אותו בטירוף במשך יום שלם, וסרק את האזור סביב המיקרוסקופ לכתם של רינגווד קטן יותר מאשר גרגר אבק.
הוא זוכר את התחושה הנוראה של הצורך להתקשר לפרסון כדי להעביר את הבשורה כי הדגימה היחידה של הטבעת שגילה שאי פעם נוצרה בכדור הארץ נעלמה.
אבל פירסון כבר חשב על הפרויקט הבא. "הוא אמר 'זה משחק, אנחנו יודעים שהמרנו בזה', " נזכר פאלוט. ואז פירסון אמר לו שיש להם עוד מדגם שעשוי להיות מעניין. לאחרונה עשה טיול באותו אזור בברזיל ממנו הגיע היהלום המכיל טבעת טבעת, והוא החזיר אבני חן חדשות - לכל אחת מהן תכלילים מבטיחים ללמוד. כעת, פאלוט, פירסון, ג'ייקובסן ואחרים עובדים יחד כדי לנתח יהלום מעמוק עוד יותר בתוך המעטפת.
מבחינת פאלוט וכל אחד מהמדענים הללו, התבוננות בגבישים המופיעים עמוק בתוך כדור הארץ שלנו היא בערך זיהוי המרכיבים שנאפו בכדור הארץ לפני מיליארדי שנים.
"כל הנקודה הזו היא על החיים עצמם", אומר פאלוט. "אנחנו יודעים שהחיים קשורים קשר הדוק למים. אם אנו יודעים טוב יותר את מחזור המים, אנו יודעים טוב יותר כיצד מקורם של החיים. "
ואם אנו יודעים כיצד מקורם של החיים בכוכב הלכת שלנו, הם עשויים לסייע לנו למצוא חיים - או תנאי קיום חיים - על אחרים.
יעקובסן מוסיף, "אנו מגלים כעת כוכבי לכת שעלולים להיות ראויים למגורים מחוץ למערכת השמש שלנו. וככל שנדע יותר על איך נראה כוכב לכת מגורים, כך נוכל לזהות אותם יותר. "
חיפושם אחר מים בעומק כדור הארץ, אומר ג'ייקובסן, מעולם לא היה רלוונטי יותר.
למדו על מחקר זה ועוד במצפה העמוק פחמן.
