Ο κρυμμένος ωκεανός της Γης
Βαθιά κάτω από την επιφάνεια του πλανήτη μας, κρύβεται ένας ωκεανός. Είναι ένας μυστικός κόσμος νερού που γνωρίζουμε μόνο λόγω ενός απίθανου αγγελιοφόρου:των διαμαντιών.
Οι βράχοι που βλέπουμε και αλληλεπιδρούμε με τους καθημερινά – οροσειρές, θρυμματισμένοι παράκτιοι βράχοι, ίσως τα μαλακά ιζήματα και τα εδάφη που ευθυγραμμίζουν τα δάπεδα των κοιλάδων – είναι μόνο ένα μικρό μέρος όλων των βράχων στη Γη. Μεταξύ της επιφάνειας του πλανήτη και του πλούσιου σε σίδηρο πυρήνα βρίσκεται ο μανδύας, ένα ζεστό, παχύρρευστο στρώμα πετρωμάτων που ρέει σαν πλαστικό. Εδώ μεγαλώνουν τα διαμάντια, εκατοντάδες χιλιόμετρα πιο κάτω. Καθώς σχηματίζονται οι πολύτιμοι λίθοι, παγώνουν μια στιγμή βαθιάς γεωλογίας του μανδύα και όταν φτάσουν στην επιφάνεια, οι επιστήμονες μπορούν να τους σπρώξουν και να τους ωθήσουν για να καταλάβουν περισσότερα για τις συνθήκες μέσα στον πλανήτη. Από τις ιστορίες που λένε αυτά τα διαμάντια, ο μανδύας είναι πολύ, πολύ υγρός και μπορεί να περιέχει τόσο πολύ - ή περισσότερο - νερό από όλους τους ωκεανούς της Γης μαζί.
Το νερό είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες που ξεχωρίζει τη Γη από άλλους κόσμους και είναι πρωταρχικός στόχος όταν ψάχνουμε για πιθανή ζωή στο Σύμπαν. Θα μπορούσαν αυτά τα διαμάντια να μας προσφέρουν μια εικόνα για το σχηματισμό της Γης και άλλων πλανητικών σωμάτων;
Τα διαμάντια είναι ο καλύτερος φίλος ενός γεωλόγου
Τα διαμάντια μπορούν να αναπτυχθούν είτε ως ινώδεις νιφάδες χιονιού είτε ως πολυεπίπεδα οκταεδρικά, εξηγεί η γεωλόγος καθηγήτρια Maya Kopylova από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας. Όταν σχηματίζονται ινώδη διαμάντια, τα μακριά κρυστάλλινα νήματα πιάνουν και μπλέκονται με το περιβάλλον τους, υφαίνοντας μικροσκοπικά σταγονίδια κοντινών υγρών στη δομή τους. Η τεράστια πίεση και η υψηλή θερμοκρασία του μανδύα ωθούν αυτά τα υγρά σε ένα υπερκρίσιμο σημείο ανατροπής μεταξύ υγρού και αερίου που μπορεί να διαλύσει τα κοντινά πετρώματα και αέρια. Αυτές οι διαλυμένες ουσίες ενσωματώνονται στη συνέχεια σε ένα σχηματιζόμενο διαμάντι για να παγιδέψουν ένα τέλειο, μικροσκοπικό δείγμα του μανδύα. «Καθώς τα διαμάντια μεγαλώνουν, μπορούν να παγιδεύουν υλικά που τα περιβάλλουν», λέει ο Δρ Κιμ Τέιτ, επιμελητής ορυκτολογίας στο Βασιλικό Μουσείο του Οντάριο. "Αυτή είναι μια εξαιρετική ευκαιρία να δούμε απευθείας μερικά από τα υλικά που έχουν σχηματιστεί βαθιά μέσα στη Γη."
Αυτά τα εγκλείσματα είναι μικρά – κλάσματα της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας και σπάνια ορατά με γυμνό μάτι. Ενώ αυτά τα σκοτεινά διαμάντια με ατημέλητη όψη δεν είναι καλά για κοσμήματα, για έναν γεωλόγο είναι πολύτιμα παράθυρα στις συνθήκες βαθιά μέσα στη Γη. «Σε έναν τέλειο κόσμο, θα μελετούσαμε μέχρι τον πυρήνα και θα παίρναμε δείγματα όλου του υλικού, αλλά αυτό απλά δεν είναι εφικτό στην πραγματική ζωή», λέει ο Tait. Αντίθετα, οι επιστήμονες πρέπει να περιμένουν τα διαμάντια να φτάσουν στην επιφάνεια λόγω φυσικής γεωλογικής δραστηριότητας.
Ωστόσο, το ταξίδι ενός διαμαντιού στην επιφάνεια δεν είναι απλό. Εάν τα διαμάντια μεταφέρονται αργά από τον μανδύα για εκατομμύρια χρόνια σχηματισμού βουνού, θα αποικοδομηθούν σε γραφίτη πολύ πριν φτάσουν σε εμάς. Σύμφωνα με την Kopylova, άθικτα διαμάντια βγαίνουν στην επιφάνεια μόνο από κρατόνους ή σχηματισμούς βράχου κιμπερλίτη. Οι Κράτονες είναι παλιά, σταθερά μέρη =των ηπειρωτικών πλακών με μικρή τεκτονική δραστηριότητα, ενώ οι κιμπερλίτες είναι ένας σπάνιος τύπος ηφαιστειακής έκρηξης που λειτουργούν ως αγωγοί εξαγωγής μάγματος από τον βαθύ μανδύα απευθείας στην επιφάνεια. «Οι σωλήνες Kimberlite εκτοξεύονται από 400 χιλιόμετρα βαθιά μέχρι την επιφάνεια μέσα σε λίγες μέρες!» λέει η Kopylova. Αυτό το γρήγορο ταξίδι από τον μανδύα στην επιφάνεια σημαίνει ότι τα διαμάντια δεν έχουν την ευκαιρία να αποσυντεθούν σε γραφίτη. Αυτός είναι ο λόγος που πολλά από τα σημαντικότερα ορυχεία διαμαντιών στον κόσμο βασίζονται γύρω από σωλήνες κιμπερλίτη.
Αυτή η γρήγορη ανάβαση σε συνδυασμό με την εξαιρετική σκληρότητα των διαμαντιών είναι αυτό που τα κάνει ικανά να μεταφέρουν κομμάτια του μανδύα μέχρι την επιφάνεια, και γι' αυτό είναι τόσο χρήσιμα για τους γεωλόγους που μελετούν τη βαθιά Γη. «Τα διαμάντια είναι ένα μονωτικό δοχείο που μπορεί να διατηρήσει την εσωτερική πίεση που θα χαθεί σε άλλα ορυκτά με βαθύ μανδύα», λέει η Kopylova. «Μπορούμε να δούμε τους γρανάτες, για παράδειγμα, αλλά ο γρανάτης δεν είναι τόσο καλός στο να διατηρεί την πίεση στο εσωτερικό του κρυστάλλου σε υψηλή πίεση. Το διαμάντι είναι μοναδικό."
Πάγος, πάγος, μωρό μου
Για δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν μελετήσει τα διαμάντια για να τους βοηθήσουν να κατανοήσουν τη χημεία και τη γεωλογία βαθιά κάτω από τα πόδια μας. Αλλά τον Μάρτιο του 2018 μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Oliver Tschauner, ορυκτολόγο από το Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, στο Λας Βέγκας, βρήκε κάτι εντελώς απροσδόκητο όταν εξέτασαν με ακτίνες Χ ένα διαμάντι που εξήχθη από την Αφρική:τον πάγο.
Όταν το νερό παγώνει, κρυσταλλώνεται σε πάγο. Αλλά δεν είναι όλοι οι πάγοι σαν τα πράγματα που βρίσκουμε σε τραπεζάκια χιονιού ή παγάκια. Κάτω από ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις, ο πάγος μπορεί να πάρει πιο εξωτικές δομές όπου τα άτομα υδρογόνου και οξυγόνου του θα συνδέονται με αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Τα περισσότερα από αυτά που γνωρίζουμε για αυτές τις εξωτικές φάσεις του πάγου προέρχονται από προσεκτικά αναπτυσσόμενα δείγματα σε εργαστήρια υπό τεχνητές συνθήκες.
Διαβάστε περισσότερα:
- Κατανοήστε την επιστήμη του νερού
- Πώς γνωρίζουμε τη γεωλογία των βρετανικών νησιών;
Σχεδόν όλος ο πάγος που συναντάτε σε καθημερινή βάση είναι εξαγωνικός πάγος Ih , με λίγα ίχνη από τον κυβικό του ξάδερφο πάγο Ic στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Οι επιστήμονες άρχισαν για πρώτη φορά να παρατηρούν ότι ο πάγος που είχε παγώσει κάτω από υψηλότερες πιέσεις στο εργαστήριο πήρε διαφορετικές κρυσταλλικές δομές ήδη από το 1900, με κάθε νέα εξωτική ποικιλία να υπολογίζεται ως πάγος II, III και ούτω καθεξής. Ο πάγος που βρέθηκε παγιδευμένος μέσα στο διαμάντι που βρέθηκε πρόσφατα είναι ο πάγος VII. Ενώ είναι η πρώτη φορά που μια από αυτές τις ασυνήθιστες φάσεις βρίσκεται φυσικά στη Γη, οι επιστήμονες έχουν από καιρό θεωρήσει ότι συγκεκριμένες ποικιλίες πάγου νερού μπορεί να σχηματιστούν σε άλλα πλανητικά σώματα, ίσως ακόμη και μέσα στα παγωμένα φεγγάρια του Ηλιακού μας Συστήματος. Επομένως, ανακαλύπτοντας μικροσκοπικούς κρυστάλλους πάγου VII μέσα σε αυτό το διαμάντι, οι επιστήμονες αποκάλυψαν μια απροσδόκητη σύνδεση μεταξύ της Γης και άλλων κόσμων.
«Τελικά αυτό το διαμάντι αντιπροσωπεύει μια πολύ ασυνήθιστη μορφή νερού που κανονικά δεν βλέπουμε στην επιφάνεια [της Γης] επειδή η πίεση που απαιτείται για να γίνει είναι απλώς πολύ μεγαλύτερη από τις πιέσεις του περιβάλλοντος», λέει ο καθηγητής George Rossman, ορυκτολόγος στο Ινστιτούτο της Καλιφόρνια. Τεχνολογίας.
Κλειδωμένο
Ο πάγος VII δεν σχηματίστηκε ταυτόχρονα με το διαμάντι του. «Αυτό το υγρό παγιδεύτηκε σχεδόν σαν μια φυσαλίδα στο διαμάντι», λέει ο Tait, ο οποίος είναι υπεύθυνος για τη διατήρηση του δείγματος. Αρχικά, καθώς το διαμάντι αναπτύχθηκε εκατοντάδες χιλιόμετρα βαθιά μέσα στη Γη, το συμπύκνωμα ήταν ένα υπερκρίσιμο ρευστό στα όρια μεταξύ υγρού και αερίου και ήταν πολύ ζεστό για να κρυσταλλωθεί σε πάγο. Αν το διαμάντι είχε μείνει θαμμένο στον πλανήτη, εδώ θα είχε τελειώσει η ιστορία. Αλλά το διαμάντι αποβλήθηκε από τα βάθη και έπεσε σε πολύ πιο ψυχρές επιφανειακές συνθήκες.
«Όταν το διαμάντι ανέβηκε στην επιφάνεια, εξακολουθούσε να διατηρεί υψηλή εσωτερική πίεση πιέζοντας το νερό υπό πίεση κάπως παρόμοια με αυτή που βίωναν βαθιά στη Γη», εξηγεί ο Rossman. «Καθώς ανέβηκε στην επιφάνεια, το διαμάντι ψύχθηκε. Μόνο τότε το νερό κρυσταλλώθηκε σε πάγο VII.”
Κάθε φορά που ανακαλύπτεται ένα νέο υλικό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτό το πρώτο δείγμα ως δείγμα τύπου που διατηρείται και προστατεύεται. Το Βασιλικό Μουσείο του Οντάριο φιλοξενεί περίπου 200 δείγματα τύπου, συμπεριλαμβανομένου του διαμαντιού ice VII. Το διαμάντι λειτουργεί ως ένας μικροσκοπικός θάλαμος πίεσης διατηρώντας τον πάγο VII σταθερό, επομένως το μουσείο δεν χρειάζεται να το διατηρήσει δροσερό ή να λάβει άλλες ειδικές ενέργειες για να το διατηρήσει ασφαλές. «Είναι εντελώς σταθερό μέσα στον παγιδευμένο οικοδεσπότη του», λέει ο Tait. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι κάθεται απλώς σε ένα ράφι σε μια αποθήκη. "Όλα τα υλικά του τύπου μας βρίσκονται σε ένα θησαυροφυλάκιο που κλειδώνει γιατί είναι τόσο σημαντικά για εμάς", λέει ο Tait.
Παρά την εκπληκτική ανακάλυψη ότι μια τέτοια εξωτική μορφή πάγου μπορεί να σχηματιστεί στη φύση, στην πραγματικότητα το να βλέπεις το διαμάντι είναι λίγο απογοητευτικό, παραδέχεται ο Tait. "Ο φωτογράφος μας είπε, "Ας το βγάλουμε μια φωτογραφία." Τους το έδειξα και μου λένε, "Ω."» Ο Tait γελάει. «Μακάρι να ήταν λίγο πιο συναρπαστικό να το δεις». Κάθε περίβλημα έχει μέγεθος μόλις μερικά μικρά και περιέχει ακόμη μικρότερους μικροκρυστάλλους πάγου VII και άλλων ορυκτών.
Πλάκες και πλανήτες
Αν και μπορεί να μην είναι φωτογενές, αυτό το διαμάντι με τον μοναδικό συνεπιβάτη του πάγου VII προσθέτει ένα νέο στοιχείο στον περίπλοκο χορό του νερού μέσα στη Γη και σε άλλους κόσμους. Όπως η Γη, οι υπόλοιποι πλανήτες του Ηλιακού μας Συστήματος βομβαρδίστηκαν με κομήτες και περιβλήθηκαν με αέριο υδρογόνο όταν σχηματίστηκαν, επομένως θα έπρεπε επίσης να έχουν άφθονο νερό κλειδωμένο μέσα στους βράχους. Ωστόσο, από όσο γνωρίζουμε, η Γη είναι ο μόνος πλανήτης που έχει τεκτονικές πλάκες που συνδέουν τον κύκλο του νερού από την επιφάνειά της με τα βάθη της. Ο φλοιός της Γης αποτελείται από άκαμπτες αλλά εύκαμπτες πλάκες που κινούνται συνεχώς με την ίδια περίπου ταχύτητα που μεγαλώνουν τα νύχια μας. Αυτές οι πλάκες συγκρούονται και τσαλακώνονται για να σχηματίσουν οροσειρές, αλλά όταν η ήπειρος συναντά τον ωκεανό, η πυκνότερη και ψυχρότερη ωκεάνια πλάκα χώνεται βαθιά μέσα στο μανδύα, μεταφέροντας μαζί της κρύους, υγρούς βράχους – και επομένως νερό – από τον πυθμένα του ωκεανού.
«Τα ωκεάνια ιζήματα κατεβαίνουν συνεχώς στη βαθιά Γη όπου απελευθερώνεται το νερό από αυτά τα ιζήματα», λέει ο Rossman. Στη συνέχεια, το νερό αλληλεπιδρά με τα μέταλλα, είτε ενσωματώνεται στη δομή τους είτε παγιδεύεται ως εγκλείσματα σε διαμάντια και άλλους κρυστάλλους. Αυτή η έγχυση νερού μειώνει το σημείο τήξης του γύρω βράχου, υγροποιώντας το σε μάγμα που εκρήγνυται ως ηφαίστεια. Βρίσκοντας μια εξωτική ποικιλία πάγου που κρύβεται μέσα σε ένα διαμάντι, έχουμε ένα μοναδικό παράθυρο στο συγκεκριμένο μείγμα θερμοκρασίας και πίεσης σε βάθος, έναν εξατομικευμένο συλλέκτη δειγμάτων που προσφέρει πληροφορίες για την καρδιά του πλανήτη μας.
«Αν μπορούσαμε να πάρουμε μια μεζούρα παγωτού και να αφαιρέσουμε όλα αυτά τα μέταλλα που έχουν ίχνη δεσμευμένου νερού και στη συνέχεια να στύψουμε το νερό, πιθανότατα υπάρχει τόσο νερό στον άνω μανδύα συνδεδεμένο σε αυτά τα μέταλλα. βρίσκεται σε όλους τους ωκεανούς του κόσμου σήμερα», λέει ο Rossman. "Ο άνω μανδύας είναι μια δεξαμενή νερού, δυνητικά τόσο μεγάλη όσο κάθε κομμάτι νερού που έχουμε στους ωκεανούς."
Η ιστορία του νερού είναι ένας τεράστιος χορός, που εκτείνεται σε εκατοντάδες χιλιόμετρα και δισεκατομμύρια χρόνια, μια ιστορία με σύννεφα, ωκεανούς και παγόβουνα, αλλά τώρα ξέρουμε ότι είναι επίσης μια ιστορία φωτιάς, διαμαντιών και πάγου.
Αυτό είναι απόσπασμα από το τεύχος 330 του BBC Focus περιοδικό.
Εγγραφή και παραλάβετε το πλήρες άρθρο στην πόρτα σας ή κατεβάστε το BBC Focus εφαρμογή για να το διαβάσετε στο smartphone ή το tablet σας. Μάθετε περισσότερα
Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard
