Przełomowa wyprawa mająca na celu wiercenie w skałach na dnie Oceanu Atlantyckiego dała naukowcom najlepszy jak dotąd wgląd w to, jak Ziemia może wyglądać pod skorupą.

Naukowcy zebrali prawie nieprzerwaną próbkę zielonej, marmuropodobnej skały o długości 1268 metrów z regionu, w którym płaszcz Ziemi – gruba, wewnętrzna warstwa stanowiąca ponad 80% powierzchni planety – przeniknął dno oceanu. Próby, które odbędą się 8 sierpniaNaukazostały opisane, zapewniają bezprecedensowy wgląd w procesy prowadzące do powstawania skorupy.

„Mieliśmy w głowie tę historię” o tym, jak powinny wyglądać takie skały, ale jest zupełnie inaczej, gdy „widzi się to na stole” – mówi Natsue Abe, petrolog z Japońskiej Agencji Nauki i Technologii o Morzu i Ziemi w Jokohamie.

Osiągnięcia ekspedycji są „fantastycznym kamieniem milowym” – mówi Rosalind Coggon, geolog morski z Uniwersytetu w Southampton w Wielkiej Brytanii. „Wiercenia oceaniczne zapewniają jedyny dostęp do próbek z głębi Ziemi, które mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia powstawania i ewolucji naszej planety”.

Scientists in hard hats and face masks examine core samles in a lab on board JOIDES Resolution research vessel

Płaszcz oceaniczny Ziemi — rodzaj skorupy występujący głównie pod morzami Ziemi, a nie pod jej kontynentami — składa się głównie z gęstej skały wulkanicznej zwanej bazaltem. Jest znacznie cieńsza i młodsza niż skorupa kontynentalna, ponieważ skały podlegają ciągłemu recyklingowi w wyniku ruchów płyt tektonicznych.

Bazalt powstaje, gdy magma przedostaje się przez szczeliny podmorskie wzdłuż grzbietów śródoceanicznych. Sama magma powstaje w procesie zwanym częściowym topnieniem w płaszczu, który składa się głównie z półprzezroczystych, zielonych minerałów bogatych w magnez. Gdy materiał unosi się w płaszczu, ciśnienie nad nim spada, powodując stopienie niektórych minerałów i utworzenie mikroskopijnych warstw magmy pomiędzy kryształami górskimi.

Zwykle na dno oceanu wyrzucana jest wyłącznie magma. Jednak w niektórych miejscach skała płaszczowa wydostaje się również na powierzchnię, gdzie wchodzi w kontakt z wodą morską w reakcji zwanej serpentynizacją. Zmienia to strukturę skały – nadając jej wygląd marmurowy – i uwalnia różne substancje, w tym wodór.

Łatwe do wiercenia

Odwiedziliśmy w maju 2023 rRezolucja JOIDESAmiejsce, w którym to się wydarzyło: podwodna góra zwana Masywem Atlantydy, położona na zachód od śródoceanicznego grzbietu Atlantyku. Statek o długości 143 metrów wyposażony jest w dźwig o wysokości 62 metrów, który umożliwia podwodne wiercenia.

Naukowcy na pokładzie postanowili to zrobić Zaginione Miasto do wiercenia, miejsce po południowej stronie masywu. Region charakteryzuje się kominami hydrotermalnymi, w których ekstremofile drobnoustrojów wykorzystują ulatniający się wodór.

„Planowaliśmy odwiercić jedynie 200 metrów, ponieważ było to najgłębsze miejsce, jakie kiedykolwiek udało się ludziom wywiercić w skale płaszcza” – mówi Johan Lissenberg, petrolog z Uniwersytetu w Cardiff w Wielkiej Brytanii. Wiercenie było jednak zaskakująco łatwe i trzy razy szybsze niż zwykle i pozwoliło uzyskać długie, nieprzerwane cylindry skały zwane rdzeniami. „Więc postanowiliśmy kontynuować działalność” – mówi Lissenberg. Zespół zatrzymał się dopiero, gdy wyprawa zakończyła się zgodnie z harmonogramem.

Naukowcy opublikowali właśnie pierwsze wyniki. „To, co raportujemy, to dosłownie to, co można zrobić na statku. Zespół 30 naukowców dzień i noc studiuje rdzenie przez dwa miesiące, dokumentując centymetr po calu, jak powstają”.

Deep-sea drilling: Diagram showing how researchers on a ship drilled into rock that originated in the Earth's mantle.

Kiedy naukowcy szczegółowo zbadali strukturę skały, zauważyli „skośne cechy”, charakterystyczną sygnaturę panującej teorii mówiącej o tym, jak magma oddziela się od płaszcza i staje się częścią skorupy, mówi Lissenberg. Skała płaszcza była również przeplatana w rdzeniach innymi rodzajami skał, co sugeruje, że granica płaszcza i skorupy nie jest tak ostra, jak zwykle sugerują dane sejsmograficzne, mówi Jessica Warren, geochemik z Uniwersytetu Delaware w Newark. Łącznie te wyniki „są kluczowe dla tego, jak rozumiemy powstawanie płyt tektonicznych w oceanach” – mówi.

Niepewna przyszłość

Wyjazd ten stanowi zwieńczenie czterdziestoletniej kariery artystyRezolucja JOIDESA, który amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF) wynajęła od prywatnej firmy. Jednak NSF ogłosiło, że nie może już sobie pozwolić na 72 miliony dolarów rocznie, jakie kosztuje eksploatacja statku po spełnieniu zobowiązań IODP, i że program zostanie zakończony. To sprawia, że ​​niektórzy naukowcy, szczególnie ci na początku swojej kariery, są niepewni co do przyszłości tej dziedziny, mówi Aled Evans, geolog morski z Uniwersytetu w Southampton.

Pozostałym „wielkim wyzwaniem” dla geologów jest wiercenie w warstwie bazaltowej i w poprzek granicy skorupa–płaszcz – zwane nieciągłością Mohorovičića lub „Moho”. Umożliwiłoby im to dostęp do dziewiczych skał płaszcza, które nie weszły w reakcję z wodą morską. „Nie zagłębiliśmy się jeszcze w prawdziwy płaszcz” – mówi Abe. Zaskakująco płynne wiercenie w Lost City dobrze wróży przyszłym próbom japońskiego statku badawczegoChikyumożna zrealizować – dodaje. „Skały płaszcza są najczęstszą częścią całej naszej planety” – mówi Evans. „Pobranie ich próbek miałoby fundamentalne znaczenie dla zrozumienia, z czego zbudowana jest nasza planeta”.