Wielki ocean pod powierzchnią Ziemi? Niezwykłe odkrycie dzięki diamentom

Głęboko w Ziemi, poza zasięgiem nawet największych wiertni czy najgłębszych kopalni, ogromne ciśnienia i niezwykle wysokie temperatury prowadzą do formowania się rzadkich odmian diamentów.

Od czasu do czasu zdarza się, że takie okazy zawierają w swoim wnętrzu niewielkie pozostałości rzadkich minerałów. Te minerały, często niemożliwe do odtworzenia w warunkach panujących na powierzchni naszej planety, mówią naukowcom wiele o tym, co dzieje się setki czy tysiące kilometrów pod naszymi stopami, czyli w miejscach, do których bezpośrednio nie dociera żadna nasza aparatura naukowa.

Niewielki diament przeanalizowany właśnie przez zespół badawczy kierowany przez Tingting Gu z Purdue University może potencjalnie zmienić zupełnie to, jak wyobrażamy sobie warunki w głębinach. Przebadany przez naukowców diament z kopalni Karowe w Botswanie zawierał minerały powstające w warunkach dużej wilgotności. A to może wskazywać na istnienie głęboko pod Ziemią ogromnych zbiorników wodnych. 

Wśród odkrytych w diamencie minerałów, badacze odkryli obecność m.in. ringwoodytu, ferroperyklazu oraz enstatytu. Ringwoodyt (Mg2SiO4) uchwycony w diamentach okazał się minerałem uwodnionym, czyli powstającym w warunkach obecności wody. Inne inkluzje również potwierdzają duże uwodnienie środowiska. Sugestia, że w strefie przejściowej płaszcza może znajdować się znacznie więcej wody niż dotąd zakładano, rzuca nowe światło na globalny obieg wody i procesy tektoniczne.

Badacze wskazują, że o ile istnienie wody w głębszych częściach Ziemi nie jest zaskoczeniem samym w sobie, to dotychczas nie było pewności, jak rozległe i ciągłe są obszary jej występowania. Diament zawierający ringwoodyt i inne uwodnione fazy minerałów jest więc wyjątkowym dowodem na szerzej „nawodniony” charakter strefy przejściowej łączącej górny i dolny płaszcz, zwanej też 660-kilometrową nieciągłością.

Naukowcy analizowali mineralne „wtrącenia” znalezione w diamentach za pomocą spektroskopii mikro-ramanowskiej oraz dyfrakcji rentgenowskiej. W diamentach supergłębokich, które formują się wewnątrz płaszcza, często obecne są minerały normalnie nietrwałe przy niższych ciśnieniach, jak np. wspomniany ringwoodyt czy bridgmanit. Jednak w miarę wędrówki diamentu w górę, w kierunku skorupy, wysokociśnieniowe minerały mogą ulegać przemianom w minerały stabilne w warunkach bliższych powierzchni, takie jak enstatyt lub inne krzemiany.

Zgodnie z tymi przewidywaniami, w przebadanych przez siebie diamentach, naukowcy z zespołu Gu odkryli zarówno “głęboki” ringwoodyt, jak i tworzące się bliżej powierzchni Ziemi minerały takie, jak enstatyt. Zdaniem naukowców potwierdza to, że inkluzje w diamentach tworzyły się na głębokości około 660 kilometrów pod Ziemią, pod ogromnym ciśnieniem, a dopiero później, wraz z diamentem, wędrowały w stronę powierzchni. Fakt, że diament zawierał minerały uwodnione wskazuje, że woda, dostająca się w głębiny najprawdopodobniej wraz ze schodzącymi wgłąb Ziemi w procesie tzw. subdukcji płytami kontynentalnymi - dociera nawet w tak głębokie partie wnętrza Ziemi.

Zjawisko krążenia wody na dużych głębokościach, oddzielne od klasycznego obiegu hydrologicznego na powierzchni, określa się mianem „głębokiego cyklu wody”. Subdukcja płyt tektonicznych umożliwia przemieszczanie się wody w głąb płaszcza, a procesy wulkaniczne mogą następnie częściowo „oddać” tę wodę z powrotem w górne rejony geosfery. Wpływ obecności wody na mechanikę płaszcza jest wieloraki: może ona wpływać na topnienie skał, na energię erupcji wulkanów czy wreszcie na powstawanie stref reakcji sejsmicznych.

Diamenty z tzw. stref supergłębokich dostarczają geologom wyjątkowego wglądu w minerały powstające w ciśnieniach i temperaturach niezwykle trudnych lub niemożliwych do osiągnięcia na powierzchni. Wcześniejsze dane sugerowały, że ringwoodyt – kiedy udaje się go znaleźć w diamentach – może zawierać do kilku procent H2O w swojej strukturze (czyli występuje tam woda związana w sieci krystalicznej). Jednak dotąd nie było do końca jasne, czy potwierdza to jedynie obecność lokalnych „kieszeni” bogatych w wodę, czy też stanowi przesłankę mówiącą o rozległych, nawodnionych obszarach w strefie przejściowej przypominających nieco podziemne jeziora czy morza.

Najnowsze wyniki opisane w „Nature Geoscience” wskazują zdecydowanie na tę drugą opcję. Fakt, że w diamentach były obecne także inne minerały powstające w kontakcie z wodą zdaniem badaczy jednoznacznie przemawiają za koncepcją, że woda jest tam obecna nie tylko punktowo. Tzw. mokre perydotyty – bo tak określane są skały płaszcza o podwyższonej zawartości wody – mogą być powszechne na granicy 660 km, sięgając nawet jeszcze dalej wgłąb planety.

Dowody na wysoką wilgotność płaszcza w okolicach 660 km mają szerokie implikacje. Po pierwsze, wskazują, że subdukcja płyt oceanicznych działa skuteczniej, niż wcześniej przypuszczano, wprowadzając wodę na znaczne głębokości. Taka zmagazynowana woda w skałach może wpływać na właściwości reologiczne płaszcza, zmieniając lepkość i prędkość konwekcji. Po drugie, woda obecna w dużych ilościach może oddziaływać na dynamikę stref wulkanicznych w regionach odległych od subdukcji, gdyż płaszcz transportuje ją wraz z prądami konwekcyjnymi.

Poprzednie badania sugerowały już, że Ziemia „zasysa” do wnętrza znacznie więcej wody, niż zakładano, a obecne odkrycia pomagają wyjaśnić, w jakich konkretnie strefach się ona zatrzymuje. Głębinowe diamenty stanowią w tej kwestii wyjątkowe „okna” w mroczne zakamarki dolnego płaszcza i strefy przejściowej. Każda nowa próbka diamantu z takimi inkluzjami pozwala na doprecyzowanie nie tylko samych warunków geochemicznych, ale i mechanizmów cyklu wody w Ziemi.