それは2009年の春の日で、ジョン・マクニールにはダイヤモンドがいっぱい入ったポケットがありました。
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彼の博士課程のアドバイザーである地球化学者のグラハムピアソンは、マクニールを「ウルトラデップ」ダイヤモンドでガタガタと音を立てるフィルムキャニスターを持ってウィーンの研究室に送りました。 これらは宝石店のきらびやかな宝石ではありませんでしたが、数年前にブラジルのジュイナ地区にある遷移ゾーンと呼ばれる地球のマントルの深さ数百マイルの地域から表面に向かって爆発した荒い鈍いダイヤモンドがそれらを発見しました。 宝石商は曇った石の上を通り過ぎていましたが、科学者にとって、これらの貴重な鉱物は深い地球への窓でした。
暗い実験室で、マクニールは石と石の表面に光のビームを向け、ダイヤモンドとその不純物によって散乱されるスペクトルを測定しました。
その代わりに彼が発見したことは、科学者に地球の奥深くに水があるという最初の具体的な証拠を与えました。 地下数百マイルの鉱物に統合された水分子の広大な貯水池があった場合、それは私たちの青い惑星がプレートテクトニクスと水を備えたものに進化し、最終的に居住可能になった方法を説明できます。 そのプロセスを理解することは歴史的なことだけではありません。私たちの惑星での生活を可能にしたものについて知れば知るほど、太陽系の外で住みやすいものを見つけることについてより多くの科学者が主張します。
当時、マクニールはダーラム大学の研究者でした。 彼と彼の研究室の科学者であるルッツ・ナスダラは、ダイヤモンドの1つに含まれる不純物によって生成されたスペクトルを鉱物のデータベースと比較したとき、彼らは驚くべき何かを見つけました：ダイヤモンドの中に閉じ込められた緑がかった結晶の微視的な斑点がそれはリングウッダイトである可能性があります。これは、研究所で合成された、またはmet石でのみ発見された鉱物です。 それは地球からの物質に決して現れなかった。
もしそうなら、それは大したことでしょう。 合成リングウッダイトは、その構造に水分子を組み込むことができることが知られていました。 したがって、この地上のサンプルは、遷移ゾーン（地殻の下250から400マイルに広がる層）に閉じ込められた水の量と、その到達方法について、数十年にわたる議論を最終的に解決できるかもしれません。
1980年代後半、ボールダーのコロラド大学の地球物理学者ジョセフ・スミスは、マントルの遷移帯の特定の鉱物には水分子の構造に余地があるかもしれないと予測しました。 しかし、誰も移行ゾーンにこれほど深く掘り下げて直接調べることはできないので、これに関するほとんどの証拠は理論的または実験室実験の結果でした。 他の科学者たちは、地震の地震波が地表の下を移動する方法、および深発地震の頻度が低いことから、乾燥した移行帯が予測されることに気づきませんでした。
マクニールのダイヤモンドは、地球の中心にあるこの隠された層にエンドウ豆の大きさの窓を提供し、研究者が地球の構成を垣間見ることができるようにしました。
約2年後、マクニールは卒業し、ピアソンはカナダのアルバータ大学で研究を続けるためにダーラム大学から移動しました。 2011年の冬の日、窓のない地下室で、ピアソンの同僚であるセルゲイ・マトヴェエフは、リングウダイトを含むダイヤモンドを赤外線顕微鏡内で苦労して吊り下げ、小さな介在物の内容を分析しました。
Matveevがダイヤモンドを適切に配置するのに数時間かかりました。 しかし、いったんそれを設置すると、結果を得るのに数分しかかかりませんでした。リングウッダイトには水が含まれていました。
マトヴェーエフは落ち着いていたが、ピアソンは興奮した。 彼は、理論と実験室の実験が地球のマントルの深部からの水の直接観測によって今バックアップできることに気付いた瞬間に言ったことを繰り返さないことを好む。
「印刷できない可能性があります」と彼は言います。
ダイヤモンドアンビルセル内のリングウッダイトの青みがかった結晶。 （スティーブヤコブセン/ノースウェスタン大学） McNeill、Pearsonおよびその同僚は、2014年にNature誌に発見を発表しましたが、疑問は残りました。移行ゾーン全体のこの小さなダイヤモンドはどのように代表的でしたか？ 2人の科学者は、彼らの論文が、このダイヤモンドが形成されたマントルの小さなポケットにのみ水の証拠を提供したことに注意することに注意しました。
この小さなリングウッダイトのサンプルが真に代表的なものである場合、遷移ゾーンには地球のすべての海洋と同じ量の水が含まれている可能性があります。 もしそうなら、プレートテクトニクスがどのように動き、山と火山を形成するかを説明するのに役立ちます。
ノースウェスタン大学の地球物理学者スティーブ・ヤコブセンは、この水をジュール・ヴェルヌの海の怪物で満たされた地下の海と想像することに対して警告しています。 代わりに、彼は移行ゾーンの水をケーキのミルクに例えています。 液体ミルクはバッターに入りますが、ケーキがオーブンから出てくると、その液体ミルクの成分はケーキの構造に組み込まれます。もう濡れていませんが、まだ残っています。
そして、ヤコブセンは、この水がどれだけ北アメリカの下の地球に「焼き付けられた」かを知る方法があると思った。
私たちの惑星の内部では、信じられないほど高温でわずかに粘性のある岩が場所によっては表面に向かって移動しますが、他の場所では対流と呼ばれるゆっくりとした流れで核に向かって滲み出します。 リングウッダイトのような鉱物は、マントルのより深いところからより深いところに移動するため、高温と高圧により鉱物の構造がゆがみます。 たとえば、青みがかったリングウッダイトは、表面近くでカンラン石と呼ばれる緑色の結晶として始まり、遷移帯でリングウッダイトに変成し、下部マントルに移動するとブリッジマナイトに変化します。 しかし、リングウッダイトとは異なり、ブリッジマナイトは水を保持しません。
ジェイコブセンは、移行帯のリングウッダイトがピアソンのダイヤモンドが示唆するほどの量の水を本当に含んでいた場合、ミネラルが絞られてブリッジマナイトになると、リングウッダイトからマグマとして水がにじみ出ると理論付けました。
そこで、ヤコブセンは実験室で水を含むリングウッダイトを作り、ダイヤモンドアンビルプレスと呼ばれるポケットサイズの万力で2つのダイヤモンドの間にそれを絞り、高出力レーザーで加熱しました。 彼が結果を調べたとき、彼は高温と高圧が実際に石から水を絞り出し、マグマの小さな液滴を作成したことを発見しました。
ヤコブセンは、リングウッダイトが下部マントルに押し込まれたときに水分の多いマグマを実際に染み込ませた場合、マグマのこれらのパッチが地震の地震波を遅らせ、一種の地震サインを作成すると考えました。
そこで、ジェイコブセンはニューメキシコ大学の地震学者ブランドン・シュマントとチームを組み、北米全土をゆっくりと東に移動する米国アレイと呼ばれる全米科学財団の移動式地震計のグリッドによって収集されたデータからこれらの署名を探しました。 研究者たちは、彼らが予測した地震のしゃっくりを、彼らが思った場所、つまり遷移帯と地球の下部マントルの境界で見ました。
これらの結果が彼にとって何を意味したのかを説明しようとすると、ヤコブセンは言葉を失いました。 「それが本当に私の研究の最後の20年間に価値があると感じたポイントでした」と彼は最後に言います。 彼とシュマントは、米国のほとんどの下にあるマントルの移行帯に水が閉じ込められたという証拠を発見し、2014年に科学誌にその発見を発表しました。
しかし、まだ大きな盲点がありました。この水がどこから来たのか誰も知りませんでした。
ブラジルのジュイナ地方で労働者がダイヤモンドを採掘しています。 （グラハムピアソン/アルバータ大学） 2014年9月、アレクサンダーソボレフは、コマチアイトと呼ばれる希少な27億年前の溶岩の「新鮮な」サンプルを探し始め、それらがどのように形成されたかを知りたいと考えました。
フランスのグルノーブルアルプ大学の地球化学の教授であるソボレフは、カナダのアビティビグリーンストーンベルトの一部をハンマーで進めました。 最高のものは、きれいで美しい音を出します。
ソボレフと彼の同僚、同じくグルノーブルアルプス大学のニコラスアーント、およびロシアのヴェルナツキー地球化学研究所のエフゲニーアサフォフは、これらの岩の拳サイズの塊を集めてフランスに持ち帰りました。 そこで、彼らはそれらを粉砕し、内部にある小さなかんらん石の緑色の粒を抽出した後、かんらん石の破片をロシアに送り、華氏2, 400度以上に加熱してから急冷しました。 彼らは、かんらん石の内部に閉じ込められた溶融した冷却された包有物を分析し、マントルを突き抜けてマグマの噴煙がどうなったかを理解しました。
ソボレフのチームは、これらのコマチアイトにはピアソンのリングウッダイトほど多くの水が含まれていないが、それらを形成したマグマがマントルを通過する際におそらく拾い上げ、少量の水を取り込んだように見えることを発見しました。ゾーン。 これは、マントルの遷移帯に27億年前に水が含まれていたことを意味します。
地球がいつ、どのように水を獲得したのか、そしてこの水がどのようにマントルの奥深くに入ったのかについて、多くの異なる（ただし潜在的に補完的な）理論があるため、この時点は重要です。
最初の理論では、若い惑星地球は熱を帯びて水を保持することができず、後になって地球に到着し、水浸しのmet石や彗星に乗ったと言います。 この水は、沈み込みと呼ばれる過程で構造プレートが互いに動いたときにマントルに滑り込んだ。 2番目の理論では、46億年前に太陽系を形成するためにガスと塵の雲が合体して以来、水が最初から惑星に存在していたと言われています。 この原始水は、地球の降着中に地球に閉じ込められた可能性があり、どうにかして若い惑星のplanet熱に耐えることができました。
ソボレフによると、27億年前に水が地球の遷移ゾーンにあった場合、それは、構造プレートの運動が科学者が現在信じているよりもはるかに早く惑星の歴史の中で始まっていたか、水が最初からここにあったことを意味します。
リディア・ハリスは、水がずっとそこにあったと疑っています。 グラスゴー大学の惑星科学者ハリスは、彼女が数年前に深いマントルからの古代の岩石と通常の海水にある水の異なる「フレーバー」と呼ぶものを比較しました。 沈み込みはマントルの上部に水を混ぜますが、最も深い部分は比較的元のままです。
水は、2分子の水素と1分子の酸素で構成されています。 時には、岩に組み込まれると、実際にはヒドロキシル基と呼ばれる1つの水素と1つの酸素で構成されます。 水素のさまざまな形態、または同位体は、分子量が異なり、より重い水素同位体は重水素として知られています。
科学者は、地球が形成された初期の太陽系の場所では、水には重水素よりもはるかに多くの通常の水素が含まれていると考えています。 しかし、水が地球の表面にとどまると、軽い水素分子がより容易に宇宙に逃げ出し、大気と海洋に重水素が集中しました。
ハリスは、地球のマントルの深部で発生するマグマによって形成されたカナダ北極圏の石に閉じ込められた水は、海水よりも低い重水素対水素比を持つことを発見しました。 これらの石の比率は、科学者が原始水がどのように見えたと思うかに似ており、水が最初から地球のマントルの成分であったことを示唆しています。
これは、湿った宇宙の岩石も地球にたたき込まれ、水を共有する可能性を排除するものではありません。 しかし、議論は激化しています。 「それが科学の仕組みです。誰かがあなたの間違いを証明するまで、あなたは正しいです。」とハリスは言います。
ダイヤモンドアンビルセルを使用して、地球の奥深くの状態をシミュレートし、膨大な圧力を使用してサンプルを絞ります。 （スティーブヤコブセン/ノースウェスタン大学） ピアソンは、リングウッダイト包有物の重水素と水素の比率を調べると、遷移帯の水が原始的であるか、沈み込みの結果としてそこにあるのか、それとも両方であるのかについてもっと知ることができるかどうか疑問に思いました。
彼は、フランスのジャンモネ大学の地球化学者であるMederic Palotを採用し、ダイヤモンドをリングウッダイトの介在物まで磨いて、内部に閉じ込められた水素分子を分析できるようにしました。 それは危険なプロセスでした。 そのような深さからダイヤモンドを持ち出すことは、その内部に大きな負担がかかっていることを意味します。 ダイヤモンドを切断および研磨すると、ダイヤモンドとその含有物が損傷して修復できない場合があります。
パロットは慎重でした。 彼は、ドライアイスで作られた一種のヒートシンクを作成し、レーザーで鉱物の表面から小さなスライバーを削り取ったときにダイヤモンドが過熱しないようにしました。 研磨の1分ごとに、彼はダイヤモンドを顕微鏡に持っていき、貴重なリングウッダイトの介在物がまだそこにあることを確認しました。
12時間の磨きの後、Palotは彼がインクルージョンに近づいていることを知っていました。 彼は午後11時に顕微鏡でダイヤモンドをチェックしました。 彼はさらに1分間磨き、ダイヤモンドを再度チェックしました。 インクルージョンはなくなりました。
パロットはそれを丸1日必死に探して、顕微鏡の周りの領域を調べて、一粒の塵より小さなリングウッダイトの斑点を探しました。
彼は、ピアソンに電話して、地球で形成されたリングウッダイトの唯一のサンプルがなくなったというニュースを届けなければならないという恐ろしい気持ちを覚えています。
しかし、ピアソンはすでに次のプロジェクトについて考えていました。 「彼は言った、 『それはゲームだ、我々はそれでギャンブルをしたことを知っている』」とパロットは回想する。 そして、ピアソンは彼に、興味深いかもしれない別のサンプルがあると言った。 彼は最近、リングウッダイトを含むダイヤモンドの産地であるブラジルの同じ地域に旅行し、新しい宝石を持ち帰りました。 現在、Palot、Pearson、Jacobsenなどが協力して、マントルのさらに深いところからダイヤモンドを分析しています。
Palotとこれらの科学者それぞれにとって、地球の奥深くから出現する結晶を見ることは、何十億年も前に地球に焼き付けられた成分を特定する以上のものです。
「このポイントは人生そのものに関するものです」とパロットは言います。 「人生は水と密接に関係していることを知っています。 私たちが水循環をよく知っていれば、生命がどのように生まれたのかをよく知ることができます。」
そして、私たちの生命が私たちの惑星でどのように生まれたのかを知っていれば、他の人の生命または生命維持状態を見つけるのに役立つ可能性があります。
ヤコブセンは、次のように付け加えています。「私たちは現在、太陽系の外に住む可能性のある惑星を発見しています。 そして、居住可能な惑星がどのように見えるかについて知れば知るほど、それらを認識できるようになります。」
ヤコブセンによると、地球の奥深くでの水の探索は、これまで以上に関連したものではありませんでした。
この研究の詳細については、Deep Carbon Observatoryをご覧ください。
