地球の隠れた海|海洋

私たちの惑星の地表の奥深くには、海が潜んでいます。それは、ありそうもないメッセンジャーであるダイヤモンドのおかげで、私たちだけが知っている水の秘密の世界です。

私たちが毎日目にし、相互作用している岩石 - 山脈、崩壊しつつある沿岸の崖、おそらく谷底に沿った柔らかい堆積物と土壌 - は、地球上のすべての岩石のごく一部にすぎません。惑星の表面と鉄分が豊富なコアの間にはマントルがあり、これはプラスチックのように流れる、暖かく、厚く、ねばねばした岩の層です。これは、数百キロ下のダイヤモンドが成長する場所です。宝石が形成されると、深部マントルの地質学が一瞬凍りつき、地表に到達すると、科学者はそれらを突き刺したり突き刺したりして、惑星内の状態についてさらに理解を深めることができます。これらのダイヤモンドが語る物語から、マントルは非常に湿っており、地球のすべての海を合わせた量と同じかそれ以上の水を含んでいる可能性があります.

水は、地球を他の世界から際立たせる重要な要素の 1 つであり、宇宙で生命の可能性を探す際の主要なターゲットです。これらのダイヤモンドは、地球や他の惑星体の形成についての洞察を提供してくれるでしょうか?

ダイヤモンドは地質学者の親友

ダイヤモンドは、繊維状の雪片または層状の八面体として成長する可能性があると、ブリティッシュコロンビア大学の地質学者 Maya Kopylova 教授は説明しています。繊維状のダイヤモンドが形成されると、長い結晶ストランドが周囲に引っ掛かり、絡み合い、近くの流体の小さな液滴を構造に織り込みます。マントルの巨大な圧力と高温は、これらの流体を液体とガスの間の超臨界転換点に押し上げ、近くの岩石とガスを溶かすことができます.これらの溶解物質は形成中のダイヤモンドに組み込まれ、マントルの完全な小さなサンプルを捕らえます。「ダイヤモンドが成長するにつれて、周囲の物質を閉じ込めることができます」と、ロイヤルオンタリオ博物館の鉱物学学芸員であるキムテイト博士は言います。「これは、地球の奥深くで形成された物質の一部を直接見る絶好の機会です。」

これらのインクルージョンは非常に小さく、人間の髪の毛の直径の数分の一であり、肉眼ではほとんど見えません。これらの黒くてだらしない外観のダイヤモンドはジュエリーには適していませんが、地質学者にとっては、地球の奥深くの状態を知る貴重な窓です。「完璧な世界では、核心までドリルダウンしてすべての素材のサンプルを採取しますが、実際にはそれは実現不可能です」と Tait 氏は言います。代わりに、科学者は自然の地質活動によってダイヤモンドが地表に到達するのを待たなければなりません.

しかし、ダイヤモンドが地表に到達するまでの道のりは簡単ではありません。ダイヤモンドが何百万年にもわたって山を形成してマントルからゆっくりと運ばれると、地球に到達するずっと前にグラファイトに分解されます。 Kopylova によると、無傷のダイヤモンドは、クラトンまたはキンバーライトの岩層によってのみ表面にもたらされます。クラトンは地殻活動がほとんどない大陸プレートの古くて安定した部分ですが、キンバーライトはマグマを深部マントルから地表に直接抽出する導管として機能するまれなタイプの火山噴火です。「キンバーライトパイプは、数日のうちに 400 キロメートルの深さから地表に到達します!」コピロワは言います。マントルから表面へのこの高速移動は、ダイヤモンドがグラファイトに分解する機会がないことを意味します。世界で最も重要なダイヤモンド鉱山の多くがキンバーライトパイプに基づいているのはこのためです。

この急速な上昇とダイヤモンドの極度の硬度により、ダイヤモンドはマントルの断片を地表まで運ぶことができ、地球深部を研究する地質学者にとって非常に有用です。「ダイヤモンドは、他のマントル深部鉱物で失われる内圧を保つことができる断熱容器です」とコピロワは言います。「たとえば、ガーネットを見ることができますが、ガーネットは結晶内の圧力を高圧に保つのが得意ではありません。ダイヤモンドはユニークです。」

アイス、アイス、ベイビー

何十年もの間、研究者はダイヤモンドを研究して、私たちの足元の化学と地質を理解するのに役立ててきました。しかし、2018 年 3 月、ネバダ大学ラスベガス校の鉱物学者である Oliver Tschauner 教授が率いるチームは、アフリカから抽出されたダイヤモンドを X 線で撮影したときに、まったく予想外のものを発見しました。それは氷でした。

水が凍ると結晶化して氷になります。しかし、すべての氷が雪だるまや角氷に見られるようなものではありません。極端な温度と圧力の下では、氷はより複雑な水素原子と酸素原子が結合する、よりエキゾチックな構造をとることができます。氷のこれらのエキゾチックな段階について私たちが知っていることのほとんどは、実験室で人工条件下で慎重にサンプルを成長させることから得られます.

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日常的に遭遇するほとんどすべての氷は六角形の氷です_h 、その立方体のいとこの氷の痕跡がいくつかあります I_c 上層大気で。科学者たちは、実験室で高圧下で凍結した氷が、早くも 1900 年にさまざまな結晶構造をとり、それぞれの新しいエキゾチックな品種が氷 II、III などと数えられることに最初に気付き始めました。新たに発見されたダイヤモンド内に閉じ込められていることが判明した氷は、氷 VII です。これらの異常な相の 1 つが地球上で自然に発見されたのはこれが初めてですが、科学者たちは、特定の種類の水の氷が他の惑星体で形成される可能性があると長い間理論づけてきました。したがって、このダイヤモンド内に小さな氷の結晶 VII を発見することにより、科学者は地球と他の世界との間の予想外のつながりを明らかにしました。

カリフォルニア研究所の鉱物学者であるジョージ・ロスマン教授は、「最終的に、このダイヤモンドは、通常[地球の]表面では見られない非常に珍しい形の水を表しています。これは、ダイヤモンドを作るために必要な圧力が周囲の圧力よりもはるかに高いためです」と述べています。

閉じ込められた

氷 VII は、それを包むダイヤモンドと同時には形成されませんでした。「この流体は、ダイヤモンド内の泡のように閉じ込められていました」と、サンプルの保存を担当するテイトは言います。もともと、ダイヤモンドが地球の深さ数百キロメートルに成長したとき、インクルージョンは液体と気体の間の危機に瀕した超臨界流体であり、熱すぎて氷に結晶化しませんでした。ダイヤモンドが地球に埋もれたままだったら、ここで物語は終わっていたでしょう。しかし、ダイヤモンドは深みから追い出され、はるかに冷たい表面状態に落ちました.

「ダイヤモンドが地表に上がってきたとき、ダイヤモンドは依然として高い内圧を維持しており、地球の奥深くで経験していたのと似たような圧力で水を圧迫していました」とロスマンは説明します。「ダイヤモンドが表面に浮き上がると、ダイヤモンドは冷えました。その後、水は結晶化して氷 VII になりました。」

新しい物質が発見されるたびに、科学者はその最初のサンプルをタイプ標本として使用し、保存および保護します。ロイヤルオンタリオ博物館には、アイス VII ダイヤモンドを含む約 200 種類の標本が収蔵されています。ダイヤモンドは、氷 VII を安定に保つ小さな圧力室として機能するため、博物館はそれを冷却したり、安全に保つために特別な措置を講じたりする必要はありません。「閉じ込められた宿主内では完全に安定しています」とテイトは言います。しかし、それは倉庫の棚の上に座っているだけという意味ではありません。「私たちの活字資料はすべて施錠可能な保管庫に保管されています。それらは私たちにとって非常に重要だからです」と Tait 氏は言います。

このようなエキゾチックな形の氷が自然界で形成されるという驚くべき発見にもかかわらず、実際にダイヤモンドを見ると少しがっかりする、とテイトは認めます。「私たちの写真家が『写真を撮ろう』と言ったので、彼らに見せたら、彼らは『ああ』と言ってくれました」とテイトは笑います。「それを見て、もう少しエキサイティングだったらいいのに。」各インクルージョンの大きさはわずか数ミクロンで、氷 VII やその他のミネラルのさらに小さな微結晶を保持しています。

プレートと惑星

フォトジェニックではないかもしれませんが、氷VIIのユニークなパッセンジャーを持つこのダイヤモンドは、地球や他の世界の水の複雑なダンスに新しい要素を追加します.地球と同じように、太陽系の残りの惑星は形成中に彗星に襲われ、水素ガスに包まれたため、岩石の中にたくさんの水が閉じ込められているはずです。しかし、私たちが知る限り、地球はプレートテクトニクスがあり、水循環を表面から深部までつなぐ唯一の惑星です。地球の地殻は、私たちの爪が伸びるのとほぼ同じ速度で絶えず動いている、硬くて柔軟なプレートでできています。これらのプレートが衝突してくしゃくしゃになり、山脈を形成しますが、大陸が海に出会うと、より密度が高く冷たい海洋プレートがマントルの奥深くに押し込まれ、海底から冷たい湿った岩石、つまり水を運びます。

「海の堆積物は、これらの堆積物から水が放出される深部地球に絶えず運ばれています」とロスマンは言います。次に、水はミネラルと相互作用し、その構造に組み込まれるか、ダイヤモンドや他の結晶に内包物として閉じ込められます.この水の注入は、周囲の岩石の融点を下げ、火山として噴火するマグマに液化します。ダイヤモンド内に潜むエキゾチックな種類の氷を見つけることで、深部での温度と圧力の特定のブレンドへのユニークなウィンドウが得られ、オーダーメイドのサンプルコレクターが地球の中心への洞察を提供します.

「アイスクリームスクープを取り、微量の結合水を含むこれらのミネラルをすべてすくい取り、水を絞り出すことができれば、これらのミネラルに結び付けられた上部マントルにおそらく同じ量の水が存在します.今日、世界のすべての海にあります」とロスマンは言います。「上部マントルは水の貯留層であり、海にあるすべての水に匹敵する可能性があります。」

水の物語は、数百キロ、数十億年にまたがる広大なダンスであり、雲と海と氷山の物語ですが、今では、それが火とダイヤモンドと氷の物語でもあることがわかりました.

これは BBC Focus の第 330 号からの抜粋です。雑誌。

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