Itu adalah hari musim semi tahun 2009, dan John McNeill memiliki kantong penuh berlian.
Konten terkait
- Air Bumi Mungkin Setua Bumi itu Sendiri
- Yang Dapat Kita Pelajari dengan Menggali Rahasia Karbon Dalam Bumi
- Mungkin Ada Samudra Masif Besar Kedua Di Bawah Permukaan
Penasihat PhD-nya, ahli geokimia Graham Pearson, telah mengirim McNeill ke lab di Wina dengan tabung film yang penuh dengan berlian “ultradeep”. Ini bukan permata berkilauan dari sebuah toko perhiasan, tetapi berlian kasar dan tumpul yang telah meledak ke permukaan dari suatu wilayah yang ratusan mil di dalam mantel bumi yang disebut zona transisi Penambang di distrik Juína Brasil telah menemukannya beberapa tahun sebelumnya . Perhiasan telah melewati batu berawan, tetapi bagi para ilmuwan, mineral berharga ini adalah jendela ke Bumi yang dalam.
Di laboratorium yang gelap, McNeill mengarahkan seberkas cahaya ke permukaan batu demi batu, mengukur spektrum yang tersebar oleh berlian dan pengotornya — berharap menemukan mineral dalam inklusi ini yang bisa memberi tahu dia bagaimana berlian ini terbentuk.
Apa yang dia temukan sebagai gantinya memberi para ilmuwan bukti konkret pertama bahwa ada air jauh di dalam Bumi. Jika ada reservoir besar molekul air yang diintegrasikan ke mineral ratusan mil di bawah tanah, itu bisa menjelaskan bagaimana planet biru kita berevolusi menjadi satu dengan lempeng tektonik dan air, dan akhirnya menjadi layak huni. Memahami proses itu bukan hanya historis: Semakin kita tahu tentang apa yang memungkinkan kehidupan di planet kita, para ilmuwan berpendapat, semakin kita akan tahu tentang menemukan yang dapat dihuni di luar tata surya kita.
Pada saat itu, McNeill adalah seorang peneliti di Durham University. Ketika dia dan Lutz Nasdala, ilmuwan di laboratorium tempat dia bekerja, membandingkan spektrum yang diciptakan oleh pengotor pada salah satu berlian terhadap basis data mineral, mereka menemukan sesuatu yang mengejutkan: Bintik mikroskopis kristal kehijauan yang terperangkap di dalam berlian tampak seperti itu mungkin ringwoodite, mineral yang hanya pernah disintesis di laboratorium atau ditemukan di meteorit. Itu tidak pernah muncul dalam materi dari Bumi.
Jika ya, itu akan menjadi masalah besar. Ringwoodite sintetis diketahui mampu memasukkan molekul air ke dalam strukturnya. Jadi sampel terestrial ini akhirnya bisa menyelesaikan debat berdurasi puluhan tahun tentang jumlah air yang terperangkap di zona transisi — lapisan yang membentang dari 250 hingga 400 mil di bawah kerak — dan bagaimana air itu sampai di sana.
Pada akhir 1980-an, ahli geofisika Joseph Smyth dari University of Colorado, Boulder meramalkan bahwa mineral tertentu di zona transisi mantel mungkin memiliki ruang dalam struktur mereka untuk molekul air. Tetapi karena tidak ada yang bisa menelusuri sejauh itu ke zona transisi untuk melihat langsung, sebagian besar bukti untuk ini adalah teori atau hasil percobaan laboratorium. Ilmuwan lain tidak setuju, mencatat bahwa cara gelombang seismik gempa bumi bergerak di bawah permukaan — dan jarangnya gempa bumi dalam — meramalkan zona transisi kering.
Berlian McNeill memberikan jendela seukuran kacang ke lapisan tersembunyi di pusat Bumi ini, memungkinkan para peneliti untuk melihat sekilas komposisi planet kita.
Sekitar dua tahun kemudian, McNeill lulus dan Pearson pindah dari Durham University untuk melanjutkan penelitiannya di University of Alberta di Kanada. Pada hari musim dingin tahun 2011, di laboratorium bawah tanah tanpa jendela, rekan Pearson Sergei Matveev dengan susah payah menangguhkan berlian yang mengandung ringwood di dalam mikroskop inframerah untuk menganalisis isi dari inklusi kecil.
Matveev butuh beberapa jam untuk memposisikan berlian itu tepat sehingga dia bisa melakukan pengukuran. Tetapi begitu dia berhasil, hanya butuh beberapa menit untuk mendapatkan hasilnya: ringwoodite mengandung air.
Matveev berusaha tetap tenang, tetapi Pearson bersemangat. Dia lebih memilih untuk tidak mengulangi apa yang dia katakan saat dia menyadari bahwa teori dan percobaan laboratorium sekarang dapat didukung oleh pengamatan langsung air dari jauh di mantel bumi.
"Mungkin tidak bisa dicetak, " katanya.
Kristal kebiruan dari ringwoodite di dalam sel berlian-landasan. (Steve Jacobsen / Universitas Northwestern) McNeill, Pearson dan rekan mereka mempublikasikan penemuan mereka di jurnal Nature pada tahun 2014, tetapi pertanyaannya tetap: seberapa representatifkah berlian mungil dari seluruh zona transisi ini? Kedua ilmuwan berhati-hati untuk memperhatikan bahwa kertas mereka memberikan bukti air hanya di saku kecil mantel tempat berlian ini terbentuk.
Jika sampel ringwoodite kecil ini benar-benar representatif, maka zona transisi dapat mengandung air sebanyak semua lautan di Bumi — mungkin lebih. Dan jika itu terjadi, itu bisa membantu menjelaskan bagaimana lempeng tektonik bergerak, membentuk gunung dan gunung berapi.
Ahli geofisika Steve Jacobsen dari Universitas Northwestern memperingatkan agar tidak membayangkan air ini sebagai lautan bawah tanah Jules Verne yang dipenuhi monster laut. Sebaliknya, ia menyamakan air di zona transisi dengan susu dalam kue. Susu cair masuk ke dalam adonan, tetapi begitu kue keluar dari oven, komponen susu cair itu dimasukkan ke dalam struktur kue — itu tidak basah lagi, tetapi masih ada di sana.
Dan Jacobsen berpikir dia punya cara untuk mengetahui seberapa banyak air ini "dipanggang" ke bumi di bawah Amerika Utara.
Di dalam planet kita, batuan yang sangat panas dan sedikit kental bergerak ke permukaan di beberapa tempat, sementara di tempat lain ia mengalir ke inti dalam arus lambat yang disebut konveksi. Saat mineral seperti ringwoodite berpindah dari lapisan mantel yang lebih tinggi ke lapisan yang lebih rendah, suhu dan tekanan yang tinggi melemahkan struktur mineral tersebut. Ringwoodit biru, misalnya, dimulai sebagai kristal hijau yang disebut olivin dekat permukaan, bermetamorfosis menjadi ringwoodit di zona transisi, dan berubah menjadi bridgmanite saat bergerak ke mantel bawah. Tetapi tidak seperti ringwoodite, bridgmanite tidak menahan air.
Jacobsen berteori bahwa jika ringwoodite di zona transisi benar-benar mengandung air sebanyak yang disarankan Pearson, maka air akan mengalir keluar dari ringwoodite sebagai magma ketika mineral diperas dan dipanaskan untuk menjadi bridgmanite.
Jadi Jacobsen membuat ringwoodite yang mengandung air di laboratorium, meremasnya di antara dua berlian dalam alat pengukur berukuran saku yang disebut pers berlian, dan memanaskannya dengan laser bertenaga tinggi. Ketika dia memeriksa hasilnya, dia menemukan bahwa suhu tinggi dan tekanan memang memeras air dari batu, menciptakan tetesan kecil magma.
Jacobsen berpikir bahwa jika ringwoodite benar-benar mengeluarkan magma kaya air saat ditekan ke mantel bawah, maka bidang magma ini akan memperlambat gelombang seismik gempa bumi — menciptakan semacam tanda tangan seismik untuk air.
Jadi Jacobsen bekerja sama dengan seismolog Brandon Schmandt dari University of New Mexico untuk mencari tanda tangan ini dalam data yang dikumpulkan oleh jaringan seismometer bergerak National Science Foundation yang disebut US Array yang perlahan bergerak ke timur melintasi Amerika Utara. Para peneliti melihat cegukan seismik yang mereka prediksi tepat di tempat yang mereka kira akan terjadi — pada batas antara zona transisi dan mantel bawah Bumi.
Ketika ia mencoba menggambarkan apa arti hasil ini baginya, Jacobsen kehilangan kata-kata. “Itulah titik di mana saya merasa bahwa 20 tahun terakhir penelitian saya bermanfaat, ” katanya akhirnya. Dia dan Schmandt telah menemukan bukti bahwa air terperangkap di zona transisi mantel di bawah sebagian besar Amerika Serikat, dan mereka menerbitkan temuan mereka di jurnal Science pada 2014.
Tapi masih ada titik buta besar: tidak ada yang tahu dari mana air ini berasal.
Pekerja mengekstraksi berlian di wilayah Juina di Brasil. (Graham Pearson / Universitas Alberta) Pada bulan September 2014, Alexander Sobolev berangkat untuk menemukan sampel “segar” dari batuan lava langka berumur 2, 7 miliar tahun yang disebut komatiites, berharap untuk mengetahui tentang bagaimana mereka terbentuk.
Sobolev, seorang profesor geokimia dari Grenoble Alpes University di Prancis, berjalan melalui bagian-bagian sabuk hijau Abitibi Kanada dengan palu - mengetuk komatiites yang tampak menjanjikan, dan mendengarkan dengan seksama perkusi nyaring. Yang terbaik, katanya, menghasilkan suara yang bersih dan indah.
Sobolev dan koleganya Nicholas Arndt, juga dari Universitas Grenoble Alpes, dan Evgeny Asafov dari Institut Geokimia Vernadsky Rusia mengumpulkan bongkahan batu sebesar kepalan tangan untuk dibawa kembali ke Prancis. Di sana, mereka menghancurkannya dan mengekstraksi butiran hijau kecil olivin yang terletak di dalam sebelum mengirim fragmen olivin ke Rusia untuk dipanaskan hingga lebih dari 2.400 derajat F dan kemudian dengan cepat didinginkan. Mereka menganalisis inklusi yang meleleh dan dingin yang terperangkap di dalam olivin untuk memahami apa yang terjadi pada bulu magma ketika mereka menembus mantel.
Tim Sobolev menemukan bahwa sementara komatiit ini tidak mengandung air sebanyak ringwoodite Pearson, itu tampak seperti magma yang membentuknya dan mengambil sejumlah kecil air ketika melewati mantel — mungkin ketika melewati transisi. daerah. Ini berarti bahwa zona transisi mantel mengandung air 2, 7 miliar tahun yang lalu.
Titik waktu ini penting karena ada sejumlah teori yang berbeda — tetapi berpotensi saling melengkapi — tentang kapan dan bagaimana Bumi memperoleh airnya, dan bagaimana air ini mencapai kedalaman mantel.
Teori pertama mengatakan bahwa planet muda Bumi terlalu panas untuk menampung air apa pun dan bahwa air itu datang kemudian, menumpang pada meteorit atau komet yang basah. Air ini kemudian menyelinap ke mantel ketika lempeng tektonik bergerak satu sama lain dalam proses yang disebut subduksi. Teori kedua mengatakan bahwa air telah ada di planet kita sejak awal — yaitu, sejak awan gas dan debu bergabung untuk membentuk tata surya kita 4, 6 miliar tahun yang lalu. Air purba ini bisa saja terperangkap di dalam Bumi selama pertambahannya, dan entah bagaimana berhasil menahan panas terik planet muda itu.
Jadi jika air berada di zona transisi Bumi 2, 7 miliar tahun yang lalu, kata Sobolev, itu berarti bahwa pergerakan lempeng tektonik harus dimulai jauh lebih awal dalam sejarah planet ini daripada yang dipercaya para ilmuwan saat ini, atau bahwa air ada di sini sejak awal. .
Lydia Hallis, misalnya, curiga bahwa air telah ada di sana selama ini. Hallis, seorang ilmuwan planet di Universitas Glasgow, membandingkan apa yang ia sebut “rasa” air yang berbeda di bebatuan kuno dari mantel yang dalam dan di air laut biasa beberapa tahun yang lalu. Sementara subduksi mencampur air ke lapisan atas mantel, bagian terdalam tetap relatif murni.
Air terdiri dari dua molekul hidrogen dan satu molekul oksigen. Kadang-kadang, ketika itu dimasukkan ke dalam batu, itu sebenarnya terdiri dari satu hidrogen dan satu oksigen, yang disebut gugus hidroksil. Bentuk atau isotop hidrogen yang berbeda memiliki bobot molekul yang berbeda, dan isotop hidrogen yang lebih berat dikenal sebagai deuterium.
Para ilmuwan berpikir bahwa di tempat di tata surya yang baru lahir di mana Bumi terbentuk, air mengandung lebih banyak hidrogen reguler daripada deuterium. Tetapi karena air tetap ada di permukaan bumi, molekul-molekul hidrogen yang lebih ringan melarikan diri ke ruang angkasa dengan lebih mudah, memusatkan deuterium di atmosfer dan lautan kita.
Hallis menemukan bahwa air yang terperangkap dalam batu dari Arktik Kanada yang dibentuk oleh magma yang berasal jauh di dalam mantel bumi memiliki rasio deuterium dan hidrogen yang lebih rendah daripada air laut. Rasio pada batu-batu itu lebih mirip dengan apa yang para ilmuwan pikirkan seperti air purba, menunjukkan bahwa air adalah komponen mantel bumi sejak awal.
Ini tidak mengesampingkan kemungkinan bahwa batu ruang angkasa yang lembab juga menabrak Bumi dan berbagi sebagian dari air mereka. Namun perdebatan terus berlanjut. "Begitulah cara kerja sains, " kata Hallis. "Kau benar, sampai seseorang membuktikan kesalahanmu."
Sel intan-berlian digunakan untuk mensimulasikan kondisi jauh di dalam bumi, memeras sampel menggunakan tekanan besar. (Steve Jacobsen / Universitas Northwestern) Pearson bertanya-tanya apakah memeriksa rasio antara deuterium dan hidrogen dalam inklusi ringwoodite-nya mungkin akan memberi tahu dia lebih banyak tentang apakah air di zona transisi itu purba, apakah ada di sana sebagai hasil subduksi, atau apakah keduanya sedikit.
Dia merekrut Mederic Palot — ahli geokimia yang saat ini berada di Universitas Jean Monnet di Prancis — untuk memoles berlian hingga dimasukkannya ringwoodite sehingga mereka bisa menganalisis molekul hidrogen yang terperangkap di dalamnya. Itu adalah proses yang berisiko. Membawa berlian dari kedalaman seperti itu berarti bagian dalamnya berada di bawah banyak tekanan. Memotong dan memoles berlian dapat merusaknya dan inklusi tidak dapat diperbaiki.
Palot berhati-hati. Dia menciptakan semacam heat sink yang terbuat dari es kering sehingga berlian tidak akan terlalu panas saat dia mencukur irisan kecil dari permukaan mineral dengan laser. Setelah setiap menit pemolesan, ia mengambil berlian ke mikroskop untuk memastikan bahwa inklusi ringwood yang berharga masih ada.
Setelah 12 jam memoles, Palot tahu dia sudah mendekati inklusi. Dia memeriksa berlian di bawah mikroskop pada jam 11 malam — hampir sampai. Dia memoles selama satu menit dan kemudian memeriksa berlian lagi. Inklusi sudah pergi.
Palot dengan panik mencarinya sepanjang hari, menjelajahi daerah sekitar mikroskop untuk setitik ringwoodite yang lebih kecil dari sebutir debu.
Dia ingat perasaan mengerikan karena harus memanggil Pearson untuk menyampaikan berita bahwa satu-satunya sampel ringwoodite yang pernah ditemukan yang telah terbentuk di Bumi telah hilang.
Tapi Pearson sudah memikirkan proyek selanjutnya. "Dia berkata, 'Itu permainan, kita tahu bahwa kita bertaruh untuk itu, '" kenang Palot. Dan kemudian Pearson mengatakan kepadanya bahwa mereka memiliki sampel lain yang mungkin menarik. Dia baru-baru ini melakukan perjalanan ke wilayah yang sama di Brasil di mana berlian yang mengandung ringwoodite berasal, dan dia membawa kembali permata baru — masing-masing dengan inklusi yang menjanjikan untuk dipelajari. Sekarang, Palot, Pearson, Jacobsen, dan lainnya sedang bekerja sama untuk menganalisis berlian dari lapisan mantel yang lebih dalam.
Bagi Palot dan masing-masing ilmuwan ini, melihat kristal yang muncul dari jauh di dalam planet kita adalah lebih dari sekadar mengidentifikasi bahan-bahan yang dipanggang ke Bumi miliaran tahun yang lalu.
“Seluruh poin ini adalah tentang kehidupan itu sendiri, ” kata Palot. “Kita tahu bahwa kehidupan berhubungan erat dengan air. Jika kita lebih tahu siklus air, kita tahu lebih baik bagaimana kehidupan berasal. "
Dan jika kita tahu bagaimana kehidupan berasal dari planet kita, ini dapat berpotensi membantu kita menemukan kehidupan — atau kondisi yang menopang kehidupan — pada orang lain.
Jacobsen menambahkan, “Kami sekarang menemukan planet yang berpotensi dihuni di luar tata surya kita. Dan semakin kita tahu tentang seperti apa planet yang layak huni, semakin kita akan bisa mengenalinya. "
Pencarian mereka akan air jauh di dalam bumi, kata Jacobsen, tidak pernah lebih relevan.
Pelajari tentang penelitian ini dan lainnya di Deep Carbon Observatory.
