Es war ein Frühlingstag im Jahr 2009 und John McNeill hatte eine Tasche voller Diamanten.
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Sein PhD-Berater, der Geochemiker Graham Pearson, hatte McNeill mit einem Filmkanister, der mit „ultraleichten“ Diamanten besetzt war, in ein Labor in Wien geschickt. Dies waren nicht die glitzernden Juwelen eines Juweliergeschäfts, aber die stumpfen Diamanten, die aus einer Region, die Hunderte von Meilen tief im Erdmantel lag und als Übergangszone bezeichnet wurde, die Minenarbeiter im brasilianischen Distrikt Juína bezeichneten, vor einigen Jahren entdeckt hatten . Juweliere hatten die wolkigen Steine weitergegeben, aber für Wissenschaftler waren diese kostbaren Mineralien Fenster in die tiefe Erde.
In einem abgedunkelten Labor richtete McNeill einen Lichtstrahl auf die Oberfläche von Stein nach Stein und maß das von den Diamanten und ihren Verunreinigungen gestreute Spektrum - in der Hoffnung, Mineralien in diesen Einschlüssen zu finden, die ihm die Entstehung dieser Diamanten erklären könnten.
Was er stattdessen entdeckte, lieferte den Wissenschaftlern den ersten konkreten Beweis dafür, dass sich Wasser tief im Erdinneren befand. Wenn es ein riesiges Reservoir an Wassermolekülen gäbe, die hunderte von Kilometern unter der Erde in Mineralien integriert sind, könnte dies erklären, wie sich unser blauer Planet mit Plattentektonik und Wasser zu einem einzigen Planeten entwickelte und schließlich bewohnbar wurde. Diesen Prozess zu verstehen ist nicht nur historisch: Je mehr wir wissen, was das Leben auf unserem Planeten möglich gemacht hat, argumentieren Wissenschaftler, desto mehr wissen wir, wie wir einen bewohnbaren Ort außerhalb unseres Sonnensystems finden können.
Zu dieser Zeit war McNeill Forscher an der Durham University. Als er und Lutz Nasdala, der Wissenschaftler, in dessen Labor er arbeitete, das durch eine Verunreinigung in einem der Diamanten erzeugte Spektrum mit einer Datenbank von Mineralien verglichen, fanden sie etwas Überraschendes: Ein mikroskopischer Fleck von grünlichem Kristall, der in dem Diamanten eingeschlossen war, sah aus wie Es könnte Ringholzit sein, ein Mineral, das bisher nur in Labors synthetisiert oder an Meteoriten gefunden wurde. Es war nie in Material von der Erde aufgetaucht.
Wenn es so wäre, wäre es eine große Sache. Es war bekannt, dass synthetischer Ringholzit Wassermoleküle in seine Struktur einbauen kann. So könnte diese terrestrische Probe endlich eine jahrzehntelange Debatte über die Menge des in der Übergangszone - einer Schicht, die sich von 250 bis 400 Meilen unter der Kruste erstreckt - eingeschlossenen Wassers und darüber, wie es dorthin gelangte, führen.
In den späten 1980er Jahren sagte der Geophysiker Joseph Smyth von der University of Colorado in Boulder voraus, dass bestimmte Mineralien in der Übergangszone des Erdmantels in ihren Strukturen Platz für Wassermoleküle haben könnten. Da jedoch niemand so weit in die Übergangszone vordringen konnte, um einen direkten Blick darauf zu werfen, waren die meisten Beweise dafür entweder theoretisch oder das Ergebnis von Laborexperimenten. Andere Wissenschaftler waren anderer Meinung und stellten fest, dass die Art und Weise, wie sich die seismischen Wellen eines Erdbebens unter der Oberfläche bewegten - und die Seltenheit tiefer Erdbeben - eine trockene Übergangszone vorhersagten.
McNeills Diamant bot ein erbsengroßes Fenster in diese verborgene Schicht im Zentrum der Erde, durch das die Forscher einen Blick auf die Zusammensetzung unseres Planeten erhaschen konnten.
Ungefähr zwei Jahre später hatte McNeill seinen Abschluss gemacht und Pearson war von der Durham University gezogen, um seine Forschung an der University of Alberta in Kanada fortzusetzen. An einem Wintertag im Jahr 2011 schwebte der Kollege von Pearson, Sergei Matveev, in einem fensterlosen Kellerlabor den ringwoodithaltigen Diamanten akribisch in ein Infrarotmikroskop, um den Inhalt des winzigen Einschlusses zu analysieren.
Matveev brauchte ein paar Stunden, um den Diamanten genau richtig zu positionieren, damit er eine Messung durchführen konnte. Aber sobald er es an Ort und Stelle hatte, dauerte es nur ein paar Minuten, um ihre Ergebnisse zu erhalten: Der Ringholzit enthielt Wasser.
Matveev versuchte ruhig zu bleiben, aber Pearson war aufgeregt. Er zieht es vor, das, was er sagte, nicht zu wiederholen, als ihm klar wurde, dass Theorie- und Laborexperimente jetzt durch eine direkte Beobachtung des Wassers aus der Tiefe des Erdmantels untermauert werden könnten.
"Es ist möglicherweise nicht druckbar", sagt er.
Ein bläulicher Kristall aus Ringholzit in einer Diamant-Amboss-Zelle. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson und ihre Kollegen haben ihre Entdeckung 2014 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, aber die Frage blieb: Wie repräsentativ war dieser winzige Diamant für die gesamte Übergangszone? Die beiden Wissenschaftler achteten darauf, dass ihr Papier nur in der kleinen Tasche des Mantels, in der sich dieser Diamant gebildet hatte, Wasser nachweist.
Wenn diese winzige Ringholzitprobe wirklich repräsentativ wäre, könnte die Übergangszone so viel Wasser enthalten wie alle Ozeane der Erde - möglicherweise mehr. Und wenn ja, könnte es helfen zu erklären, wie sich die Plattentektonik bewegt und Berge und Vulkane bildet.
Der Geophysiker Steve Jacobsen von der Northwestern University warnt davor, sich dieses Wasser als Jules Vernes unterirdische Ozeane voller Seeungeheuer vorzustellen. Stattdessen gleicht er Wasser in der Übergangszone der Milch in einem Kuchen. Flüssige Milch fließt in den Teig, aber sobald der Kuchen aus dem Ofen kommt, werden die Bestandteile der flüssigen Milch in die Kuchenstruktur aufgenommen - sie ist nicht mehr nass, aber immer noch da.
Und Jacobsen glaubte herauszufinden, wie viel dieses Wassers unter Nordamerika in die Erde „eingebrannt“ war.
Auf unserem Planeten bewegt sich an einigen Stellen unglaublich heißes und leicht viskoses Gestein zur Oberfläche, während es an anderen Stellen in einer langsamen Strömung, der sogenannten Konvektion, zum Kern hin sickert. Während Mineralien wie Ringholzit von höheren in niedrigere Tiefen des Mantels gelangen, verzerren die hohen Temperaturen und Drücke die Struktur des Minerals. Blaustichiger Ringwoodit beginnt zum Beispiel als grüner Kristall, der oberflächennah Olivin genannt wird, sich in der Übergangszone in Ringwoodit umwandelt und sich in Bridgmanit umwandelt, wenn er sich zum unteren Mantel bewegt. Im Gegensatz zu Ringwoodit enthält Bridgmanit jedoch kein Wasser.
Jacobsen vermutete, dass, wenn Ringwoodit in der Übergangszone tatsächlich so viel Wasser enthielt, wie Pearsons Diamant vorschlug, das Wasser als Magma aus dem Ringwoodit sickerte, wenn das Mineral gepresst und erhitzt wurde, um Bridgmanit zu werden.
Also stellte Jacobsen Ringholzit her, das Wasser im Labor enthielt, drückte es zwischen zwei Diamanten in einem Schraubstock im Taschenformat, der als Diamant-Amboss-Presse bezeichnet wurde, und erwärmte es mit einem leistungsstarken Laser. Als er die Ergebnisse untersuchte, stellte er fest, dass die hohen Temperaturen und Drücke tatsächlich das Wasser aus dem Stein gedrückt hatten, wodurch winzige Magmatröpfchen entstanden.
Jacobsen glaubte, dass, wenn Ringholzit tatsächlich wasserreiches Magma sickerte, als es in den unteren Mantel gedrückt wurde, diese Magmaflecken die seismischen Wellen eines Erdbebens verlangsamen und eine Art seismische Signatur für Wasser erzeugen sollten.
Deshalb suchte Jacobsen gemeinsam mit dem Seismologen Brandon Schmandt von der Universität von New Mexico nach diesen Signaturen in den Daten, die vom US-Array (US Array) erfasst wurden, das sich in Nordamerika langsam nach Osten bewegte. Die Forscher sahen die von ihnen vorhergesagten seismischen Schluckaufe genau dort, wo sie dachten - an der Grenze zwischen der Übergangszone und dem unteren Erdmantel.
Wenn er versucht zu beschreiben, was diese Ergebnisse für ihn bedeuteten, ist Jacobsen sprachlos. "Das war wirklich der Punkt, an dem ich das Gefühl hatte, dass sich die letzten 20 Jahre meiner Forschung gelohnt haben", sagt er schließlich. Er und Schmandt hatten Beweise dafür gefunden, dass Wasser in der Übergangszone des Erdmantels unter dem größten Teil der USA eingeschlossen war, und sie veröffentlichten ihre Ergebnisse 2014 in der Zeitschrift Science .
Aber es gab immer noch einen großen toten Winkel: Niemand wusste, woher dieses Wasser gekommen war.
Arbeiter extrahieren Diamanten in der Juina-Region in Brasilien. (Graham Pearson / Universität von Alberta) Im September 2014 machte sich Alexander Sobolev auf die Suche nach „frischen“ Proben seltener, 2, 7 Milliarden Jahre alter Lavasteine, die als Komatiiten bezeichnet werden. Er wollte wissen, wie sie entstanden sind.
Sobolev, Professor für Geochemie an der Universität Grenoble Alpes in Frankreich, durchstreifte mit einem Hammer Teile des kanadischen Abitibi-Grünsteingürtels - klopfte auf vielversprechende Komatiiten und lauschte aufmerksam auf das dünne Schlagzeug. Die besten, sagt er, machen einen sauberen und schönen Klang.
Sobolev und seine Kollegen Nicholas Arndt, ebenfalls von der Universität Grenoble Alpes, und Evgeny Asafov vom russischen Vernadsky Institute of Geochemistry sammelten faustgroße Stücke dieser Gesteine, um sie nach Frankreich zurückzubringen. Dort zerkleinerten sie sie und extrahierten die darin eingebetteten winzigen grünen Olivinkörner, bevor sie die Olivinfragmente nach Russland schickten, um sie auf über 2400 Grad F zu erhitzen und dann schnell abzukühlen. Sie analysierten die geschmolzenen und abgekühlten Einschlüsse, die im Olivin eingeschlossen waren, um zu verstehen, was mit den Magmafedern geschehen war, als sie durch den Mantel geschossen waren.
Sobolevs Team stellte fest, dass diese Komatiiten zwar nicht so viel Wasser enthielten wie Pearsons Ringholzit, das Magma, aus dem sie entstanden, jedoch eine kleine Menge Wasser aufgenommen und aufgenommen hatte, als es durch den Mantel lief - wahrscheinlich, als es den Übergang passierte Zone. Dies würde bedeuten, dass die Übergangszone des Mantels vor 2, 7 Milliarden Jahren Wasser enthielt.
Dieser Zeitpunkt ist wichtig, da es eine Reihe verschiedener - aber möglicherweise komplementärer - Theorien gibt, wann und wie die Erde ihr Wasser erhalten hat und wie dieses Wasser tief in den Erdmantel gelangt ist.
Die erste Theorie besagt, dass der junge Planet Erde zu heiß war, um Wasser zurückzuhalten, und dass er später eintraf und eine Fahrt auf feuchten Meteoriten oder Kometen durchführte. Dieses Wasser rutschte dann in den Mantel, als sich tektonische Platten in einem als Subduktion bezeichneten Prozess übereinander bewegten. Die zweite Theorie besagt, dass Wasser von Anfang an auf unserem Planeten war - seitdem eine Wolke aus Gas und Staub vor 4, 6 Milliarden Jahren zu unserem Sonnensystem verschmolzen ist. Dieses Urwasser könnte während seiner Entstehung in der Erde gefangen gewesen sein und irgendwie der sengenden Hitze des jungen Planeten standgehalten haben.
Wenn sich also Wasser vor 2, 7 Milliarden Jahren in der Übergangszone der Erde befand, hätte die Bewegung der tektonischen Platten in der Geschichte des Planeten viel früher beginnen müssen, als die Wissenschaftler derzeit glauben, oder das Wasser war von Anfang an hier .
Zum einen vermutet Lydia Hallis, dass das Wasser schon immer da war. Hallis, eine Planetenforscherin an der Universität von Glasgow, verglich vor einigen Jahren die verschiedenen „Aromen“ von Wasser in uralten Gesteinen aus dem tiefen Erdmantel und in normalem Meerwasser. Während die Subduktion Wasser in die oberen Ebenen des Mantels mischt, bleiben die tiefsten Teile relativ makellos.
Wasser besteht aus zwei Molekülen Wasserstoff und einem Molekül Sauerstoff. Manchmal, wenn es in Gesteine eingebaut ist, besteht es tatsächlich aus einem Wasserstoff und einem Sauerstoff, einer sogenannten Hydroxylgruppe. Unterschiedliche Formen oder Isotope von Wasserstoff haben unterschiedliche Molekulargewichte, und das schwerere Wasserstoffisotop ist als Deuterium bekannt.
Wissenschaftler glauben, dass an der Stelle im entstehenden Sonnensystem, an der sich die Erde bildete, Wasser viel mehr regulären Wasserstoff enthielt als Deuterium. Da sich jedoch Wasser auf der Erdoberfläche ansammelt, entweichen die leichteren Wasserstoffmoleküle schneller in den Weltraum und konzentrieren Deuterium in unserer Atmosphäre und in den Ozeanen.
Hallis stellte fest, dass Wasser, das in Steinen aus der kanadischen Arktis eingeschlossen war, die aus Magma tief im Erdmantel entstanden waren, ein niedrigeres Deuterium-zu-Wasserstoff-Verhältnis als Meerwasser aufwies. Das Verhältnis in diesen Steinen ähnelte eher dem von Wissenschaftlern angenommenen ursprünglichen Wasser, was darauf hindeutet, dass Wasser von Anfang an ein Bestandteil des Erdmantels war.
Dies schließt nicht aus, dass feuchte Weltraumgesteine ebenfalls in die Erde geschlagen und einen Teil ihres Wassers geteilt haben. Aber die Debatte tobt weiter. "So funktioniert Wissenschaft", sagt Hallis. "Sie haben Recht, bis jemand beweist, dass Sie Unrecht haben."
Mit einer Diamant-Amboss-Zelle werden die Bedingungen tief im Erdinneren simuliert und Proben mit enormen Drücken gepresst. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson fragte sich, ob die Untersuchung der Verhältnisse zwischen Deuterium und Wasserstoff in seinem Ringwooditeinschluss mehr darüber aussagen könnte, ob das Wasser in der Übergangszone ursprünglich war, ob es aufgrund einer Subduktion vorhanden war oder ob es ein bisschen von beidem war.
Er rekrutierte Mederic Palot - einen Geochemiker, der derzeit an der Jean-Monnet-Universität in Frankreich arbeitet -, um den Diamanten bis zum Ringwooditeinschluss zu polieren und die darin eingeschlossenen Wasserstoffmoleküle zu analysieren. Es war ein riskanter Prozess. Einen Diamanten aus solchen Tiefen hervorzubringen bedeutete, dass sein Inneres einer großen Belastung ausgesetzt war. Das Schneiden und Polieren des Diamanten kann ihn und seine Einbeziehung irreparabel beschädigen.
Palot war vorsichtig. Er schuf eine Art Kühlkörper aus Trockeneis, damit der Diamant nicht überhitzt, während er mit einem Laser winzige Splitter von der Oberfläche des Minerals schabte. Nach jeder Minute des Polierens brachte er den Diamanten zu einem Mikroskop, um sicherzustellen, dass der wertvolle Ringwooditeinschluss noch vorhanden war.
Nach zwölfstündigem Polieren wusste Palot, dass er sich der Aufnahme näherte. Um 23 Uhr überprüfte er den Diamanten unter dem Mikroskop - fast da. Er polierte noch eine Minute und überprüfte dann den Diamanten erneut. Die Aufnahme war weg.
Palot suchte einen ganzen Tag lang verzweifelt danach und suchte in der Umgebung des Mikroskops nach einem Ringwoodit-Fleck, der kleiner als ein Staubkorn war.
Er erinnert sich an das schreckliche Gefühl, Pearson anrufen zu müssen, um die Nachricht zu überbringen, dass die einzige jemals entdeckte Ringwooditprobe, die sich auf der Erde gebildet hatte, verschwunden war.
Aber Pearson dachte bereits über das nächste Projekt nach. "Er sagte:" Das ist Spiel, wir wissen, dass wir darauf gespielt haben ", erinnert sich Palot. Und dann sagte Pearson ihm, dass sie eine andere Probe hätten, die interessant sein könnte. Er war kürzlich in die gleiche Region Brasiliens gereist, aus der der ringwoodithaltige Diamant stammte, und hatte neue Edelsteine mitgebracht, von denen jeder vielversprechende Einschlüsse zum Studium aufwies. Jetzt arbeiten Palot, Pearson, Jacobsen und andere zusammen, um einen Diamanten aus einem noch tieferen Bereich des Mantels zu analysieren.
Für Palot und jeden dieser Wissenschaftler bedeutet der Blick auf Kristalle, die tief aus unserem Planeten austreten, mehr als die Identifizierung der Zutaten, die vor Milliarden von Jahren in die Erde eingebrannt wurden.
"In diesem ganzen Punkt geht es um das Leben selbst", sagt Palot. „Wir wissen, dass das Leben eng mit dem Wasser zusammenhängt. Wenn wir den Wasserkreislauf besser kennen, wissen wir besser, wie das Leben entstanden ist. “
Und wenn wir wissen, wie das Leben auf unserem Planeten entstanden ist, kann es uns möglicherweise helfen, Leben - oder lebenserhaltende Bedingungen - für andere zu finden.
Jacobsen fügt hinzu: „Wir entdecken jetzt potenziell bewohnbare Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Und je mehr wir wissen, wie ein bewohnbarer Planet aussieht, desto mehr können wir ihn erkennen. “
Ihre Suche nach Wasser tief in der Erde, sagt Jacobsen, war nie relevanter.
Erfahren Sie im Deep Carbon Observatory mehr über diese Forschung.
