हीरे पृथ्वी की सबसे गहरी महासागरों की उत्पत्ति को रोशन करते हैं

यह 2009 में वसंत का दिन था, और जॉन मैकनील के पास हीरे से भरी एक जेब थी।

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उनके पीएचडी सलाहकार, जियोकेमिस्ट ग्राहम पियर्सन, ने मैकनील को वियना की एक लैब में फिल्म कनस्तर के साथ भेजा था जिसमें "अल्ट्रैडिप" हीरे जड़े हुए थे। ये गहने की दुकान के चमकते हुए रत्न नहीं थे, लेकिन खुरदुरे, सुस्त हीरे, जो धरती के सैकड़ों मील दूर एक क्षेत्र से सतह की ओर फट गए थे, जिसे ब्राजील के जुइना जिले में संक्रमण क्षेत्र माइनर्स कहा जाता है। । ज्वैलर्स बादल के पत्थरों पर से गुजरे थे, लेकिन वैज्ञानिकों के लिए, ये बहुमूल्य खनिज गहरी पृथ्वी में खिड़कियां थीं।

एक अंधेरे प्रयोगशाला में, McNeill ने पत्थर के बाद पत्थर की सतह पर प्रकाश की एक किरण का लक्ष्य रखा, हीरे और उनकी अशुद्धियों द्वारा बिखरे हुए स्पेक्ट्रम को मापने-इन निष्कर्षों में खनिजों को खोजने की उम्मीद करना जो उसे बता सकते थे कि ये हीरे कैसे बनते हैं।

इसके बजाय उन्होंने जो खोज की, उसने वैज्ञानिकों को पहला ठोस सबूत दिया कि पृथ्वी के अंदर पानी गहरा था। यदि सैकड़ों मील भूमिगत में खनिजों में एकीकृत पानी के अणुओं का एक विशाल भंडार था, तो यह बता सकता है कि हमारे नीले ग्रह प्लेट टेक्टोनिक्स और पानी के साथ एक में कैसे विकसित हुए, और आखिरकार रहने योग्य बन गए। उस प्रक्रिया को समझना केवल ऐतिहासिक नहीं है: जितना अधिक हम जानते हैं कि हमारे ग्रह पर जीवन संभव है, वैज्ञानिकों का तर्क है, उतना ही हमें हमारे सौर मंडल के बाहर रहने योग्य एक खोजने के बारे में पता चलेगा।

उस समय, मैकनील डरहम विश्वविद्यालय में एक शोधकर्ता था। जब वह और लुत्ज़ नसदला, वैज्ञानिक, जिनकी प्रयोगशाला में वह काम कर रहे थे, की तुलना में हीरे के खनिजों के डेटाबेस के खिलाफ एक हीरे में अशुद्धता द्वारा बनाए गए स्पेक्ट्रम की तुलना में, उन्होंने कुछ आश्चर्यजनक पाया: हीरे के भीतर फंसे हरे रंग के क्रिस्टल का एक सूक्ष्म मक्खी जैसा दिखता था। यह रिंगवुडाइट हो सकता है, एक खनिज जो केवल प्रयोगशालाओं में कभी संश्लेषित किया गया था या उल्कापिंडों पर पाया गया था। यह पृथ्वी से सामग्री में कभी नहीं दिखा था।

अगर होता तो बड़ी बात होती। सिंथेटिक रिंगवुडाइट को पानी के अणुओं को अपनी संरचना में शामिल करने में सक्षम होने के लिए जाना जाता था। इसलिए यह स्थलीय नमूना अंतत: संक्रमण क्षेत्र में फंसे पानी की मात्रा के बारे में एक दशक लंबी बहस को निपटाने में सक्षम हो सकता है - एक परत जो क्रस्ट के नीचे 250 से 400 मील तक फैलती है - और यह कैसे हुई।

1980 के दशक के उत्तरार्ध में, कोलोराडो विश्वविद्यालय के भूभौतिकीविद् जोसेफ स्मिथ, बोल्डर ने भविष्यवाणी की कि मेंटल संक्रमण क्षेत्र के कुछ खनिजों में पानी के अणुओं के लिए उनकी संरचनाओं में जगह हो सकती है। लेकिन क्योंकि कोई भी प्रत्यक्ष रूप लेने के लिए संक्रमण क्षेत्र में दूर तक ड्रिल नहीं कर सकता था, इसलिए इसके लिए अधिकांश प्रमाण या तो सैद्धांतिक थे या प्रयोगशाला प्रयोगों के परिणाम थे। अन्य वैज्ञानिकों ने इस बात पर असहमति जताई कि जिस तरह से भूकंप की भूकंपीय लहरें सतह के नीचे चली गईं- और गहरे भूकंपों की अनंतता - एक शुष्क संक्रमण क्षेत्र की भविष्यवाणी की।

मैकनील के हीरे ने पृथ्वी के केंद्र में इस छिपी हुई परत में एक मटर के आकार की खिड़की प्रदान की, जिससे शोधकर्ताओं को हमारे ग्रह की संरचना की एक झलक पकड़ने की अनुमति मिली।

लगभग दो साल बाद, मैकनील ने स्नातक किया था और पियरसन ने डरहम विश्वविद्यालय से कनाडा के अल्बर्टा विश्वविद्यालय में अपने शोध को जारी रखने के लिए स्थानांतरित किया था। 2011 में एक सर्दियों के दिन, एक खिड़की रहित तहखाने की प्रयोगशाला में, पियर्सन के सहयोगी सर्गेई मतवेव ने छोटे से समावेश की सामग्री का विश्लेषण करने के लिए एक अवरक्त माइक्रोस्कोप के अंदर रिंगवुडाइट युक्त हीरे को निलंबित कर दिया।

मतवेव को हीरे को सही स्थिति में लाने में कुछ घंटे लगे ताकि वह माप ले सके। लेकिन एक बार जब वह जगह में था, तो उन्हें अपने परिणाम प्राप्त करने में केवल कुछ मिनट लगे: रिंगवुडाइट में पानी था।

मटेव ने शांत रहने की कोशिश की, लेकिन पियर्सन उत्साहित थे। वह उस पल को नहीं दोहराना पसंद करता है जो उसने कहा था कि वह महसूस करता है कि सिद्धांत और प्रयोगशाला प्रयोगों को अब पृथ्वी के मेंटल से गहरे पानी के प्रत्यक्ष अवलोकन द्वारा समर्थित किया जा सकता है।

"यह संभवतः मुद्रण योग्य नहीं है, " वे कहते हैं।

डायमंड-एविल सेल के अंदर रिंगवुडाइट का एक नीला क्रिस्टल। (स्टीव जैकबसेन / नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी)

मैकनील, पियर्सन और उनके सहयोगियों ने 2014 में जर्नल नेचर में अपनी खोज प्रकाशित की थी, लेकिन सवाल यह था कि पूरे संक्रमण क्षेत्र का यह छोटा हीरा कैसे प्रतिनिधि था? दोनों वैज्ञानिक इस बात पर ध्यान देने के लिए सावधान थे कि उनके कागज ने केवल उस हीरे की छोटी जेब में पानी के साक्ष्य उपलब्ध कराए थे जहाँ यह हीरा बना था।

यदि यह छोटा रिंगवुडाइट नमूना वास्तव में प्रतिनिधि था, तो संक्रमण क्षेत्र में पृथ्वी के सभी महासागरों के जितना पानी हो सकता है - संभवतः अधिक। और अगर यह किया, तो यह स्पष्ट करने में मदद कर सकता है कि प्लेट टेक्टोनिक्स कैसे चलते हैं, जिससे पहाड़ और ज्वालामुखी बनते हैं।

नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के जियोफिजिसिस्ट स्टीव जैकबसेन ने इस पानी की कल्पना करने के खिलाफ जूल्स वर्ने के सबट्रेनियन सीन्स को समुद्र के राक्षसों से भर दिया। इसके बजाय, वह एक केक में दूध के लिए संक्रमण क्षेत्र में पानी की तुलना करता है। तरल दूध बल्लेबाज में चला जाता है, लेकिन एक बार जब केक ओवन से बाहर निकलता है, तो तरल दूध के घटकों को केक की संरचना में शामिल किया जाता है - यह अब गीला नहीं है, लेकिन यह अभी भी वहां है।

और जैकबसेन ने सोचा कि उसके पास यह पता लगाने का एक तरीका है कि उत्तरी अमेरिका के नीचे पृथ्वी में इस पानी का कितना "बेक" किया गया है।

हमारे ग्रह के अंदर, अविश्वसनीय रूप से गर्म और थोड़ा चिपचिपा चट्टान कुछ स्थानों में सतह की ओर बढ़ता है, जबकि अन्य में यह एक धीमी धारा में कोर की ओर बहता है जिसे संवहन कहा जाता है। जैसा कि रिंगवुडाइट जैसे खनिज मेंटल में उच्च से निचली गहराइयों तक पहुंचते हैं, उच्च तापमान और दबाव खनिज की संरचना को गर्म करते हैं। उदाहरण के लिए, ब्लू-टिंगड रिंगवुडाइट, सतह के पास ओलिविन नामक हरे क्रिस्टल के रूप में शुरू होता है, संक्रमण क्षेत्र में रिंगवुडाइट के लिए मेटामॉर्फोफॉस और ब्रिजस्टाइट में बदल जाता है क्योंकि यह निचले मेंटल में चला जाता है। लेकिन रिंगवुडाइट के विपरीत, ब्रिजमाइट में पानी नहीं होता है।

जैकबसेन ने सिद्ध किया कि यदि संक्रमण क्षेत्र में रिंगवुडाइट सही मायने में उतना ही पानी होता है जितना कि पियर्सन के हीरे ने सुझाया था, तो पानी रिंगवुडाइट से मैग्मा के रूप में बाहर निकल जाएगा, जब खनिज को निचोड़ा जाता था और ब्रिजेट बन जाता था।

इसलिए जैकबसेन ने रिंगवुडाइट बनाया, जिसमें प्रयोगशाला में पानी था, इसे दो हीरे के बीच एक पॉकेट के आकार के हीरे के बीच निचोड़ दिया जिसे डायमंड एनविल प्रेस कहा जाता है, और इसे उच्च शक्ति वाले लेजर के साथ गर्म किया जाता है। जब उन्होंने परिणामों की जांच की, तो उन्होंने पाया कि उच्च तापमान और दबाव ने वास्तव में पत्थर से पानी निचोड़ लिया था, जिससे मैग्मा की छोटी बूंदें पैदा हुईं।

जैकबसेन ने सोचा था कि अगर रिंगवुडाइट वास्तव में पानी से भरपूर मैग्मा को निचोड़ लेता है क्योंकि इसे निचली केंचुली में दबाया जाता है, तो मैग्मा के इन पैच को भूकंप की भूकंपीय तरंगों को धीमा कर देना चाहिए - जिससे पानी पर एक तरह का भूकंपीय हस्ताक्षर बन जाता है।

इसलिए जैकबसेन ने न्यू मैक्सिको विश्वविद्यालय से भूकंपविज्ञानी ब्रैंडन शमदट के साथ मिलकर राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के मोबाइल सिस्मोमीटर के ग्रिड द्वारा एकत्र किए गए आंकड़ों में इन हस्ताक्षरों की तलाश के लिए अमेरिकी एरे को बुलाया जो धीरे-धीरे उत्तरी अमेरिका से पूर्व की ओर बढ़ रहा था। शोधकर्ताओं ने भूकंपीय हिचकी देखी, जहां उन्होंने सोचा कि वे संक्रमण क्षेत्र और पृथ्वी के निचले क्षेत्र के बीच की सीमा पर हैं।

जब वह यह बताने की कोशिश करता है कि उसके लिए इन परिणामों का क्या मतलब है, तो जैकबसेन शब्दों के लिए नुकसान में है। "वह वास्तव में वह बिंदु था जहां मुझे लगा कि मेरे शोध के अंतिम 20 वर्ष सार्थक थे, " आखिरकार वह कहता है। उन्हें और श्मांड्ट को इस बात का सबूत मिला था कि संयुक्त राज्य अमेरिका के अधिकांश हिस्से के नीचे मेंटल के संक्रमण क्षेत्र में पानी फंस गया था, और उन्होंने 2014 में जर्नल साइंस में अपने निष्कर्ष प्रकाशित किए।

लेकिन अभी भी एक बड़ा अंधा स्थान था: कोई नहीं जानता था कि यह पानी कहां से आया था।

ब्राज़ील के जूना क्षेत्र में श्रमिक हीरे निकालते हैं। (ग्राहम पियर्सन / अल्बर्टा विश्वविद्यालय)

सितंबर 2014 में, अलेक्जेंडर सोबोलेव ने कोमाटाइटिस नामक दुर्लभ, 2.7-अरब-वर्षीय लावा चट्टानों के "ताज़ा" नमूनों को खोजने के लिए निर्धारित किया, जो कि वे कैसे बने, इसके बारे में जानने की उम्मीद करते हैं।

फ्रांस में ग्रेनोबल एल्प्स विश्वविद्यालय के भू-रसायन विज्ञान के एक प्रोफेसर सोबोलेव ने कनाडा के एबिटि ग्रीनस्टोन बेल्ट के हिस्सों के माध्यम से अपना काम किया, जो कि दिखने वाले होनहार दिखने वाले कोमाटाइटिस और टिनिंग पर्क्यूशन को ध्यान से सुन रहे थे। सबसे अच्छा, वह कहता है, एक स्वच्छ और सुंदर ध्वनि बनाओ।

सोबोलेव और उनके सहयोगियों निकोलस अरंड्ट, ग्रेनोबल एल्प्स विश्वविद्यालय से भी, और रूस के वर्नाडस्की इंस्टीट्यूट ऑफ जियोकेमिस्ट्री के इवगेनी असफोव ने इन चट्टानों के मुट्ठी के आकार के टुकड़े को वापस फ्रांस ले जाने के लिए एकत्र किया। वहां, उन्होंने उन्हें कुचल दिया और जैतून के छोटे हरे दानों को निकालकर अंदर फेंक दिया, जिससे जैतून के टुकड़े रूस में भेजने से पहले 2, 400 डिग्री फारेनहाइट तक गर्म किया जा सके और फिर तेजी से ठंडा किया जा सके। उन्होंने ओलिविन के अंदर फंसे पिघले हुए और ठंडा किए गए निष्कर्षों का विश्लेषण किया ताकि यह समझ सकें कि मैग्मा के ढेर के साथ क्या हुआ था क्योंकि उन्होंने मेंटल के माध्यम से गोली मार दी थी।

सोबोलेव की टीम ने पाया कि जब इन कोमाटाइट्स में पियर्सन के रिंगवुडाइट जितना पानी नहीं था, तो ऐसा लग रहा था कि जिस मैग्मा ने उन्हें उठाया था और उसमें थोड़ी मात्रा में पानी मिलाया था, क्योंकि यह मेंटल से होकर जाता था। क्षेत्र। इसका मतलब यह होगा कि मेंटल के संक्रमण क्षेत्र में 2.7 अरब साल पहले पानी था।

यह समय बिंदु महत्वपूर्ण है क्योंकि पृथ्वी के पानी के कब और कैसे प्राप्त हुए, इस बारे में कई अलग-अलग - लेकिन संभावित रूप से पूरक सिद्धांत हैं - और इस पानी ने किस तरह से गहराई में प्रवेश किया।

पहला सिद्धांत कहता है कि युवा ग्रह पृथ्वी किसी भी पानी को बनाए रखने के लिए बहुत गर्म थी और यह बाद में आ गई, जो उमस भरे उल्कापिंडों या धूमकेतुओं पर सवारी कर रही थी। यह पानी तब मेंटल में फिसल गया जब टेक्टोनिक प्लेटें एक दूसरे के ऊपर एक प्रक्रिया में चली गईं जिसे सबडक्शन कहा जाता है। दूसरा सिद्धांत कहता है कि हमारे ग्रह पर शुरुआत से ही पानी रहा है- यानी, जब से गैस और धूल का एक बादल 4.6 अरब साल पहले हमारे सौर मंडल को बनाने के लिए जुटा है। यह आद्य जल पृथ्वी के अंदर अपने अभिवृद्धि के दौरान फँस सकता था, और किसी तरह युवा ग्रह की झुलसा देने वाली गर्मी का सामना करने में कामयाब रहा।

अगर पानी 2.7 अरब साल पहले पृथ्वी के संक्रमण क्षेत्र में था, तो सोबोलेव कहते हैं, इसका मतलब है कि या तो टेक्टोनिक प्लेटों की आवाजाही इस ग्रह के इतिहास में बहुत पहले शुरू हुई थी, जो कि वर्तमान में वैज्ञानिकों का मानना ​​है, या यह कि पानी शुरू से ही यहां था। ।

लिडिया हॉलिस, एक के लिए, संदेह है कि पानी वहाँ सभी के साथ रहा है। हॉलिस, ग्लासगो विश्वविद्यालय के एक ग्रह वैज्ञानिक, की तुलना में वह कई साल पहले गहरे मेंटल और नियमित समुद्री जल में प्राचीन चट्टानों में पानी के विभिन्न "स्वादों" को कहते हैं। जबकि उप-चालन मेंटल के ऊपरी स्तरों में पानी मिलाता है, सबसे गहरे हिस्से अपेक्षाकृत प्राचीन रहते हैं।

पानी हाइड्रोजन के दो अणुओं और ऑक्सीजन के एक अणु से बना है। कभी-कभी, जब इसे चट्टानों में शामिल किया जाता है, तो यह वास्तव में एक हाइड्रोजन और एक ऑक्सीजन से बना होता है, जिसे हाइड्रॉक्सिल समूह कहा जाता है। हाइड्रोजन के विभिन्न रूपों, या समस्थानिकों में अलग-अलग आणविक भार होते हैं, और भारी हाइड्रोजन समस्थानिक को ड्यूटेरियम के रूप में जाना जाता है।

वैज्ञानिकों को लगता है कि पृथ्वी के नवजात सौरमंडल के उस स्थान पर, जहां पानी में ड्यूटेरियम की तुलना में बहुत अधिक नियमित हाइड्रोजन होता है। लेकिन जैसा कि पानी पृथ्वी की सतह पर बना हुआ है, हमारे वातावरण और महासागरों में ड्यूटेरियम को केंद्रित करते हुए, हल्के हाइड्रोजन अणु अधिक आसानी से अंतरिक्ष में भाग गए।

हैलिस ने पाया कि कनाडा के आर्कटिक से पत्थरों में फंसे पानी का निर्माण होता है, जो कि पृथ्वी के मेंटल में गहरे उत्पन्न होने वाले मैग्मा से बनता है, जिसमें समुद्री जल की तुलना में हाइड्रोजन अनुपात कम होता है। उन पत्थरों में अनुपात अधिक बारीकी से दिखता है जो वैज्ञानिकों को लगता है कि प्राइमर्डियल पानी जैसा दिखता था, यह सुझाव देता है कि पानी शुरू से ही पृथ्वी के मेंटल का एक घटक था।

यह इस संभावना को बाहर नहीं करता है कि अंतरिक्ष चट्टानों को भी पृथ्वी में धकेल दिया गया और उनके कुछ पानी को साझा किया। लेकिन इस पर बहस छिड़ गई। "यह है कि विज्ञान कैसे काम करता है, " हॉलिस कहते हैं। "आप सही हैं, जब तक कोई आपको गलत साबित नहीं करता है।"

डायमंड-एविल सेल का उपयोग पृथ्वी के अंदर गहरी परिस्थितियों का अनुकरण करने के लिए किया जाता है, जो भारी दबावों का उपयोग करके नमूनों को निचोड़ता है। (स्टीव जैकबसेन / नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी)

पियर्सन ने आश्चर्य जताया कि अगर उनके रिंगवुडाइट समावेश में ड्यूटेरियम और हाइड्रोजन के बीच अनुपातों की जांच हो रही है, तो उन्हें इसके बारे में अधिक बता सकता है कि क्या संक्रमण क्षेत्र में पानी प्राइमर्डियल था, अगर यह सबडक्शन के परिणामस्वरूप था, या क्या यह दोनों का एक सा था।

उन्होंने मेडरिक पालोट को भर्ती किया, जो वर्तमान में फ्रांस के जीन मोनेट विश्वविद्यालय में एक भू-रसायनज्ञ हैं - हीरे को रिंगवुडाइट के समावेश के लिए नीचे पॉलिश करने के लिए ताकि वे अंदर फंसे हाइड्रोजन अणुओं का विश्लेषण कर सकें। यह एक जोखिम भरी प्रक्रिया थी। एक हीरे को इतनी गहराई से लाने का मतलब था कि इसके अंदरूनी हिस्से बहुत तनाव में थे। हीरे को काटने और चमकाने से मरम्मत से परे इसे और इसके समावेश को नुकसान हो सकता है।

पालोट सावधान थे। उन्होंने सूखी बर्फ से बनी एक तरह की हीट सिंक बनाई ताकि हीरे को गर्म न किया जाए क्योंकि उन्होंने लेजर के साथ खनिज की सतह से छोटे टुकड़ों को काट दिया। चमकाने के प्रत्येक मिनट के बाद, उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए हीरे को माइक्रोस्कोप पर ले लिया कि कीमती रिंगवुडाइट समावेश अभी भी है।

12 घंटे की पॉलिश के बाद, पालोट जानता था कि वह शामिल होने के करीब पहुंच रहा है। उन्होंने रात 11 बजे माइक्रोस्कोप के नीचे हीरे की जाँच की - लगभग। उन्होंने एक और मिनट के लिए पॉलिश किया और फिर हीरे की फिर से जाँच की। समावेश हो गया था।

पालोट ने एक पूरे दिन के लिए इसे खोजा, धूल के एक दाने से भी छोटा रिंगवुडाइट के धब्बे के लिए खुर्दबीन के आसपास के क्षेत्र को छानकर।

वह इस खबर को देने के लिए पियर्सन को बुलाने की भयानक भावना को याद करता है कि रिंगवुडाइट का एकमात्र नमूना जिसे कभी पृथ्वी में बनाया गया था, चला गया था।

लेकिन पियर्सन पहले से ही अगले प्रोजेक्ट के बारे में सोच रहे थे। "उन्होंने कहा, 'यह खेल है, हम जानते हैं कि हम उस पर जुआ खेलते हैं, " पालोट याद करते हैं। और फिर पियर्सन ने उन्हें बताया कि उनके पास एक और नमूना था जो दिलचस्प हो सकता है। उन्होंने हाल ही में ब्राज़ील के उसी क्षेत्र की यात्रा की थी जहाँ रिंगवुडाइट युक्त हीरा आया था, और उन्होंने नए रत्नों को वापस लाया - जिनमें से प्रत्येक का अध्ययन करने के लिए आशाजनक समावेश था। अब, पालोट, पियर्सन, जैकबसेन और अन्य मिलकर एक हीरे का विश्लेषण करने के लिए काम कर रहे हैं जो कि मेंटल से भी अधिक गहरा है।

पालोट और इनमें से प्रत्येक वैज्ञानिक के लिए, हमारे ग्रह के भीतर गहरे से उभरने वाले क्रिस्टल को देखना उन सामग्रियों की पहचान करने से अधिक है, जो अरबों साल पहले पृथ्वी पर पके हुए थे।

"यह पूरा बिंदु जीवन के बारे में है, " पालोट कहते हैं। “हम जानते हैं कि जीवन का पानी से गहरा संबंध है। यदि हम पानी के चक्र को बेहतर जानते हैं, तो हम बेहतर जानते हैं कि जीवन की उत्पत्ति कैसे हुई। ”

और अगर हम जानते हैं कि हमारे ग्रह पर जीवन की उत्पत्ति कैसे हुई, तो यह संभवतः हमें जीवन को खोजने में मदद कर सकता है - या दूसरों पर जीवन-निर्वाह की स्थिति।

जैकबसेन कहते हैं, “अब हम अपने सौर मंडल के बाहर संभावित रहने योग्य ग्रहों की खोज कर रहे हैं। और जितना अधिक हम जानते हैं कि एक रहने योग्य ग्रह कैसा दिखता है, उतना ही हम उन्हें पहचान पाएंगे। "

जैकबसेन कहते हैं, पृथ्वी के अंदर गहरे पानी की उनकी खोज कभी अधिक प्रासंगिक नहीं रही।

इस शोध के बारे में और दीप कार्बन वेधशाला में और जानें।