Μια νέα επιστημονική έρευνα ανατρέπει τα δεδομένα, αποδεικνύοντας ότι ο κύκλος του νερού στον πλανήτη εκτείνεται πολύ πιο βαθιά από όσο φανταζόμασταν.
Πόσο βαθιά μπορεί να φτάσει το νερό της Γης;
Ένα σπάνιο γεωλογικό εύρημα ανοίγει ένα νέο παράθυρο στα μυστικά του κάτω μανδύα.
Μια πέτρα που αναλύθηκε στον επιταχυντή σωματιδίων Sirius ενισχύει την υπόθεση ότι το ορυκτό γκαιτίτης μπορεί να μεταφέρει νερό από την επιφάνεια του πλανήτη στα πετρώματα του κάτω μανδύα.
«Φύλακας» μυστικών σε μέγεθος 3 χιλιοστών
Ένας μικροσκοπικός θύλακας, εγκλωβισμένος μέσα σε ένα διαμάντι μήκους μόλις 3 χιλιοστών, ενδέχεται να καταγράφει τον τρόπο με τον οποίο το νερό ταξιδεύει από την επιφάνεια της Γης στο βαθύ εσωτερικό του πλανήτη.
Μια ερευνητική ομάδα από τη Βραζιλία ανακάλυψε την πρώτη άμεση απόδειξη ότι ο γκαιτίτης –το ορυκτό που δίνει σε πολλά εδάφη το καφέ τους χρώμα– μπορεί να αντέξει την έντονη θερμότητα και την πίεση που επικρατούν στον κάτω μανδύα.
Ο γκαιτίτης αναπτύσσεται στα εδάφη και στον πυθμένα των ωκεανών όταν ορυκτά πλούσια σε σίδηρο αλληλεπιδρούν με το νερό.
Ορισμένα μόρια νερού ενσωματώνονται στην κρυσταλλική δομή του ορυκτού, αυξάνοντας την πιθανότητα ο γκαιτίτης να μπορεί να μεταφέρει νερό προς τα κάτω και να το απελευθερώνει πολύ κάτω από την επιφάνεια.
Παλαιότερες έρευνες έχουν επιβεβαιώσει ότι το νερό από τον φλοιό της Γης μπορεί να φτάσει στον άνω μανδύα, ο οποίος εκτείνεται σε βάθος περίπου 660 χιλιομέτρων.
Ο φλοιός είναι το εξωτερικό βραχώδες στρώμα του πλανήτη, με πάχος περίπου 20 έως 80 χιλιόμετρα κάτω από τις ηπείρους και 5 έως 10 χιλιόμετρα κάτω από τους ωκεανούς.
Η «ταυτότητα» της έρευνας και οι πρωταγωνιστές
Κάτω από τον άνω μανδύα βρίσκεται ο κάτω μανδύας, όπου παρόμοια χημικά συστατικά σχηματίζουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές υπό συνθήκες μεγαλύτερης θερμότητας και πίεσης.
Η περιοχή αυτή εκτείνεται μέχρι τα 2,900 περίπου χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν τον Μάιο στο επιστημονικό περιοδικό Scientific Reports.
Η έρευνα διεξήχθη στο Sirius, έναν επιταχυντή σωματιδίων που λειτουργεί υπό το Εθνικό Εργαστήριο Φωτός Σύγχροτρον της Βραζιλίας (LNLS), το οποίο αποτελεί τμήμα του Βραζιλιάνικου Κέντρου Έρευνας στην Ενέργεια και τα Υλικά (CNPEM) στην Καμπίνας, στην πολιτεία του Σάο Πάουλο.
Το έργο ξεκίνησε από τη μεταπτυχιακή διατριβή της γεωλόγου Carolina Camarda, υπό την επίβλεψη του γεωλόγου Tiago Jalowitzki από το Πανεπιστήμιο της Μπραζίλια (UnB) και του φυσικού Hélio Tolentino από το LNLS. Η χρηματοδότηση προήλθε από τον Συντονισμό για την Αναβάθμιση Προσωπικού Ανώτατης Εκπαίδευσης (CAPES), έναν οργανισμό που υπάγεται στο Υπουργείο Παιδείας της Βραζιλίας.
Η Camarda συνεργάστηκε με τη Fernanda Gervasoni, γεωλόγο στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Πελότας (UFPel) στην πολιτεία Ρίο Γκράντε ντο Σουλ. Η Gervasoni ολοκληρώνει τώρα τη μεταδιδακτορική της έρευνα στο LNLS υπό την επίβλεψη του Tolentino, με χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Ερευνών του Σάο Πάουλο (FAPESP).
Σπάνιο διαμάντι «προδίδει» τα μυστικά των εγκάτων
Η έρευνα ξεκίνησε τον Ιούλιο του 2018 με μια επίσκεψη σε έναν συνεταιρισμό χρυσωρύχων.
Η Gervasoni και ο Jalowitzki ταξίδεψαν στην περιοχή Chapadão, κοντά στη Juína της πολιτείας Μάτο Γκρόσο, όπου έλαβαν ως δωρεά μια σειρά από εξαιρετικά βαθιά διαμάντια.
Αυτού του είδους τα διαμάντια εντοπίζονται σε ελάχιστες τοποθεσίες παγκοσμίως και σχηματίζονται σε βάθος μεγαλύτερο των 300 χιλιομέτρων κάτω από την επιφάνεια.
Αντίθετα, τα περισσότερα διαμάντια προέρχονται από βάθη περίπου 150 χιλιομέτρων. Και οι δύο τύποι φτάνουν τελικά στην επιφάνεια μέσω του μάγματος που συνδέεται με ηφαιστειακές εκρήξεις.
Πολλά εξαιρετικά βαθιά διαμάντια δεν είναι ελκυστικά για την κατασκευή κοσμημάτων, καθώς έχουν ακανόνιστα σχήματα και περιέχουν σκούρα θραύσματα υλικού που παγιδεύτηκαν κατά τον σχηματισμό των κρυστάλλων.
Τα θραύσματα αυτά, που ονομάζονται ορυκτά εγκλείσματα, μπορεί να είναι πολύ πιο πολύτιμα για τους γεωλόγους από το ίδιο το διαμάντι που τα περιβάλλει.
Επειδή το διαμάντι τα προστατεύει από μεταγενέστερες αλλοιώσεις, τα εγκλείσματα διατηρούν αποδείξεις για τις φυσικές και χημικές συνθήκες που επικρατούσαν βαθιά στο εσωτερικό της Γης πριν από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.
Αποτελούν τα φυσικά αρχεία περιβαλλόντων από τα οποία οι επιστήμονες δεν μπορούν να πάρουν δείγματα απευθείας.
Τα εξαιρετικά βαθιά διαμάντια εντοπίστηκαν για πρώτη φορά κοντά στη Juína στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και έχουν συμβάλει σε πολυάριθμες ανακαλύψεις για το εσωτερικό της Γης.
Οι προηγούμενες έρευνες σε αυτές τις πέτρες γίνονταν υπό την καθοδήγηση επιστημόνων εκτός Βραζιλίας.
«Η δική μας είναι η πρώτη μελέτη που διεξήχθη εξ ολοκλήρου από μια βραζιλιάνικη ομάδα, χρησιμοποιώντας βραζιλιάνικα όργανα», επισημαίνει η Gervasoni.
Η εργασία αυτή ήταν επίσης η πρώτη παγκοσμίως που εξέτασε ένα εξαιρετικά βαθύ διαμάντι από την αρχή μέχρι το τέλος με τη χρήση μεθόδων φωτός σύγχροτρον.
Οι ερευνητές επέλεξαν τυχαία ένα διαμάντι από τη Juína και το ανέλυσαν στις γραμμές δέσμης Mogno και Carnaúba στον επιταχυντή Sirius, ενώ ο νέος εξοπλισμός του LNLS βρισκόταν ακόμη σε στάδιο δοκιμαστικής λειτουργίας.
Οι συγκεκριμένες γραμμές δέσμης εγκαινιάστηκαν επίσημα το 2023 και το 2021, αντίστοιχα.
Οι ακτίνες Χ «ξεκλειδώνουν» μια σφραγισμένη χρονοκάψουλα ορυκτών
Το φως σύγχροτρον είναι μια εξαιρετικά λαμπερή μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που παράγεται όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα σε έναν επιταχυντή σωματιδίων σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.
Οι επιμέρους γραμμές δέσμης κατευθύνουν επιλεγμένα τμήματα αυτής της ακτινοβολίας προς όργανα που χρησιμοποιούνται για την εξέταση υλικών.
Στη γραμμή δέσμης Mogno, η μικροτομογραφία ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης δημιούργησε έναν τρισδιάστατο χάρτη περίπου 100 ορυκτών εγκλεισμάτων στο εσωτερικό του διαμαντιού.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία ακτίνων Χ στη γραμμή δέσμης Carnaúba για να προσδιορίσουν ποια στοιχεία περιείχαν αυτά τα εγκλείσματα.
Ένα από τα εγκλείσματα ξεχώρισε επειδή φάνηκε να περιέχει υδροξείδιο του σιδήρου.
Το υλικό αυτό σπάνια αναμένεται στον βαθύ μανδύα, όπου τα ενυδατωμένα ορυκτά είναι ασυνήθιστα και τα περισσότερα πετρώματα δεν ευνοούν τις αντιδράσεις οξείδωσης.
«Όταν οι ερευνητές βρίσκουν υδροξείδια του σιδήρου, συνήθως προσπερνούν το έγκλεισμα, υποθέτοντας ότι κάποια μικροσκοπική ρωγμή στο διαμάντι προκάλεσε οξείδωση μέσω της επαφής με τον αέρα», εξηγεί η Camarda, υποψήφια διδάκτωρ πλέον στο εργαστήριο European XFEL στη Γερμανία.
«Καθώς η τομογραφία απέδειξε ότι το έγκλεισμα δεν είχε καμία επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον, αποφασίσαμε να το ερευνήσουμε».
Οι ερευνητές μεταφέρθηκαν στη γραμμή δέσμης Ema του Sirius για να ταυτοποιήσουν κάθε ορυκτό μέσα στον σφραγισμένο θύλακα.
Η περίθλαση ακτίνων Χ αποκάλυψε την παρουσία γκαιτίτη (FeOOH), ενός οξυϋδροξειδίου του σιδήρου, μαζί με τα οξείδια του σιδήρου αιματίτη (Fe_2O_3) και μαγνητίτη (Fe_3O_4).
Και τα τρία αυτά ορυκτά είναι κοινά στα εδάφη και στον πυθμένα των ωκεανών.
Ωστόσο, η ταυτόχρονη παρουσία τους μέσα σε ένα μικροσκοπικό, ερμητικά σφραγισμένο έγκλεισμα δεν μπορεί να εξηγηθεί από τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που επικρατούν στην επιφάνεια της Γης.
Ο γκαιτίτης αντέχει στα πιο ακραία περιβάλλοντα
Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες πίστευαν γενικά ότι ο γκαιτίτης δεν θα μπορούσε να επιβιώσει από την υποβύθιση –τη διαδικασία κατά την οποία μια τεκτονική πλάκα βυθίζεται κάτω από μια άλλη και κατευθύνεται προς τον μανδύα.
Η διαδικασία αυτή είναι ενεργή κατά μήκος των δυτικών ακτών της Νότιας Αμερικής, όπου ο ωκεάνιος φλοιός του Ειρηνικού κινείται κάτω από την ήπειρο.
Η ηφαιστειακή και τεκτονική δραστηριότητα που προκύπτει δημιούργησε τις Άνδεις και συνεχίζει να αναδιαμορφώνει την οροσειρά μέχρι σήμερα.
Σύμφωνα με την παραδοσιακή άποψη, οι θερμοκρασίες άνω των 200 °C στα πρώτα στάδια της καθόδου θα μετέτρεπαν γρήγορα τον γκαιτίτη σε αιματίτη και νερό.
Αυτή η αντίδραση φαινόταν να αποκλείει τον γκαιτίτη ως έναν φορέα ικανό να φτάσει στον βαθύ μανδύα.
Η Camarda και οι συνεργάτες της παρατήρησαν, ωστόσο, ότι το μοτίβο περίθλασης που μετρήθηκε στον Sirius έμοιαζε πολύ με τα αποτελέσματα ενός πειράματος συμπίεσης κρούσης που πραγματοποιήθηκε το 2021 στο Πανεπιστήμιο Σιτσουάν στην Κίνα.Εκείνο το πείραμα είχε δείξει ότι ο γκαιτίτης θα μπορούσε να αντέξει πιέσεις από 35 έως 57 γιγαπασκάλ (GPa) –δηλαδή περίπου 500 φορές την πίεση στο βαθύτερο σημείο του ωκεανού– και θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 877 έως 1.827 °C.
Ανάλογες συνθήκες επικρατούν στον κάτω μανδύα, σε βάθος μεταξύ 900 και 1.250 χιλιομέτρων.
Ορισμένοι ερευνητές παραμένουν επιφυλακτικοί, καθώς η συμπίεση κρούσης δεν αναπαράγει τέλεια τις συνθήκες στον άνω ή τον κάτω μανδύα.
Ωστόσο, μια ξεχωριστή μελέτη του 2021 υπό την καθοδήγηση του Πανεπιστημίου του Μπαϊρόιτ στη Γερμανία, διαπίστωσε ότι ο γκαιτίτης επιβίωσε επίσης σε παρόμοια επίπεδα θερμότητας και πίεσης μέσα σε κυψέλες διαμαντένιου άκμονα, οι οποίες προσομοιώνουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τον μανδύα.
Άλλα πειράματα με κυψέλες διαμαντένιου άκμονα εξέτασαν τη σταθερότητα του ορυκτού, αλλά κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι θα μπορούσε να χάσει το νερό του σε μικρότερα βάθη.
Ως εκ τούτου, τα στοιχεία δείχνουν μια πιο περίπλοκη διαδρομή, η οποία ενδέχεται να εξαρτάται από την περιβάλλουσα θερμοκρασία και το γεωλογικό περιβάλλον.
Το νερό «κατακτά» τον κάτω μανδύα της Γης
Η Camarda και οι συνεργάτες της υποστηρίζουν ότι ο γκαιτίτης μπορεί να επιβιώσει από την υποβύθιση όταν προστατεύεται μέσα σε βαθιές ρωγμές, στο εσωτερικό σχετικά ψυχρών ωκεάνιων πλακών.
Αυτές οι προστατευμένες διαδρομές ενδέχεται να του επιτρέπουν να κατέβει πέρα από τα 400 χιλιόμετρα προτού αρχίσει να μετατρέπεται σε αιματίτη και νερό, ή σε μαγνητίτη, οξυγόνο και νερό.
Οι μετασχηματισμοί αυτοί, θα μπορούσαν να συνεχιστούν και μέσα στον κάτω μανδύα, προσφέροντας μια πιθανή διαδρομή ώστε το νερό από την επιφάνεια να φτάσει σε τμήματα της Γης που παλαιότερα θεωρούνταν ότι είχαν ελάχιστη ικανότητα αποθήκευσής του.
Το διαμάντι που περιβάλλει τα οντότητες αυτά ενδέχεται να κρυσταλλώθηκε από άνθρακα που περιεχόταν είτε στα πετρώματα του μανδύα είτε στην ωκεάνια πλάκα που βυθιζόταν.
Ο άνθρακας είναι σχετικά σπάνιος στον μανδύα, ο οποίος αποτελείται κυρίως από ορυκτά πλούσια σε μαγνήσιο, σίδηρο και πυρίτιο.
Ένα άλλο έγκλεισμα στο ίδιο διαμάντι περιείχε σιδηροπερικλάση (Mg, Fe)O), ένα ορυκτό που αφθονεί στον κάτω μανδύα.
Η παρουσία του προσφέρει επιπλέον αποδείξεις ότι το διαμάντι σχηματίστηκε σε τεράστιο βάθος.
«Η απελευθέρωση του νερού μειώνει το σημείο τήξης αυτών των πετρωμάτων, δημιουργώντας ενδεχομένως μικρές ποσότητες μάγματος που τείνουν να ανεβαίνουν αργά προς την επιφάνεια», εξηγεί η Gervasoni.
«Ορισμένες θεωρίες υποστηρίζουν ότι τα ηφαιστειακά πετρώματα που μεταφέρουν τα εξαιρετικά βαθιά διαμάντια στην επιφάνεια σχηματίζονται κοντά στη ζώνη μετάβασης μεταξύ του άνω και του κάτω μανδύα, σε βάθος περίπου 400 χιλιομέτρων».
Μια ξεχωριστή ανακάλυψη από την περιοχή Juína είχε αποκαλύψει παλαιότερα ένα άλλο κομμάτι του βαθιού υδρολογικού κύκλου της Γης. Το 2014, μια διεθνής ερευνητική ομάδα ανέφερε στο περιοδικό Nature ότι ένα διαμάντι από τη Juína περιείχε ρινγκγουντίτη (Mg_2SiO_4), ένα ορυκτό κοινό στη ζώνη μετάβασης, το οποίο μπορεί να συγκρατήσει νερό.
Τα στοιχεία δείχνουν πλέον ότι ο άνω μανδύας ενδέχεται να περιέχει σημαντικές ποσότητες νερού που μεταφέρονται από την επιφάνεια.
Ο κάτω μανδύας παραμένει πιο δύσκολο να εξηγηθεί, καθώς τα περισσότερα από τα ορυκτά του μπορούν να αποθηκεύσουν ελάχιστο νερό.
Ο γκαιτίτης που διατηρήθηκε μέσα σε αυτό το διαμάντι προσφέρει έναν πιθανό μηχανισμό για τη μεταφορά αυτού του νερού σε ακόμη μεγαλύτερα βάθη.
Η χρηματοδότηση για την έρευνα παρασχέθηκε από το Εθνικό Συμβούλιο Επιστημονικής και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (CNPq), το οποίο υπάγεται στο Υπουργείο Επιστήμης, Τεχνολογίας και Καινοτομίας της Βραζιλίας, το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας για Τεκτονικές Μελέτες, το Ινστιτούτο Serrapilheira, καθώς και το πρόγραμμα «Γυναίκες στην Έρευνα» (Women in Research) του Πανεπιστημίου του Μύνστερ στη Γερμανία.
