تقریباً در عمق ۲۹۰۰ کیلومتری زیر پای ما، دو توده عظیم و عجیب از سنگ قرار دارند که درست بالای هسته زمین نشستهاند. مدلهای رایانهای جدید نشان میدهند این ساختارهای عمیق با نشتهای شیمیایی بسیار کند میان هسته و گوشته ارتباط دارند؛ فرایندی که احتمالاً نقش مهمی در قابلزیست باقی ماندن زمین داشته است.
تحقیقات جدید درباره تبادل مواد در اعماق زمین
در پژوهشی تازه، دانشمندان بررسی کردند که چگونه مواد در طول بیش از چهار میلیارد سال سرد شدن زمین میان هسته فلزی و گوشته سنگی جابهجا شدهاند. تیم تحقیقاتی با استفاده از نقشههای لرزهنگاری و شبیهسازیهای قدرتمند رایانهای، روند شکلگیری این تودههای عمیق و از بین رفتن مرزهای شیمیایی را مدلسازی کردند.
نشتهای شیمیایی در نزدیکی هسته
این مطالعه با هدایت «جی دِنگ»، ژئوشیمیدان دانشگاه پرینستون انجام شد. تمرکز کار او بر این است که چگونه هسته و گوشته در طول تاریخ زمین گرما و عناصر شیمیایی را با هم مبادله کردهاند.
گوشته، لایهای ضخیم از سنگ میان پوسته و هسته است که بیشتر حجم و جرم زمین را تشکیل میدهد. زمینشناسان ساختار آن را از طریق ردیابی امواج زلزله بررسی میکنند؛ امواجی که هنگام عبور از لایههای مختلف منحرف یا بازتاب میشوند.
نقش توموگرافی لرزهای
توموگرافی لرزهای، روشی برای استفاده از دادههای زلزله جهت نقشهبرداری داخلی زمین است. این فناوری دو منطقه عظیم و کمسرعت را در نزدیکی مرز پایینی گوشته نشان میدهد. این مناطق که «پروونسهای بزرگ با سرعت برشی پایین» نامیده میشوند، زیر آفریقا و اقیانوس آرام قرار دارند.
در نزدیکی خود هسته نیز لایههایی بسیار نازک و فوقکمسرعت وجود دارند که «مناطق فوقکمسرعت» یا ULVZ نامیده میشوند. این نواحی حاوی مواد نیمهگداخته هستند و امواج لرزهای را بسیار بیشتر از حالت معمول کند میکنند.
وجود این ساختارهای عجیب با تصویری که سالها در کتابها درباره گوشته دیده میشد تفاوت زیادی دارد.
شکافهای مدلهای قدیمی زمینشناسی
در ابتدای تاریخ زمین، برخوردهای عظیم و گرمای درون آن احتمالاً گوشته را به یک «اقیانوس جهانی ماگما» تبدیل کرده بود. بررسیهای پیشین نشان میداد که این اقیانوس گدازه پس از سرد شدن ممکن است به لایههای متراکم تبدیل شده باشد. در نتیجه، تصور میشد بخشی از این گدازه به شکل لایهای عمیق، چسبیده به هسته باقی بماند.
اگر این مدل درست بود باید یک لایه یکپارچه و یکنواخت در بالای هسته دیده میشد، نه دو توده جدا و چندین لکه پراکنده. دادههای لرزهای و شیمی آتشفشانی نیز تصویری نامنظم و تکهتکه از اعماق زمین ارائه میدهند.
این تناقض باعث شد دِنگ و همکارانش فرایندهای پایه گوشته را دوباره بررسی کنند. آنها میخواستند بدانند چرا مدلهای اقیانوس ماگمایی نمیتوانند ساختارهای واقعی مشاهدهشده را بازسازی کنند.
چگونه هسته مواد خود را نشت میدهد
هنگام سرد شدن هسته، برخی عناصر سبک از آن جدا میشوند؛ فرایندی که «اگزوولوشن» نام دارد. تحقیقات جدید نشان میدهد که دانههایی از منیزیم اکسید و سیلیسیم اکسید میتوانند از هسته جدا شوند و همراه با گرما به سوی گوشته بالا بروند.
تیم دِنگ تصور کرد این دانهها در ماگمای عمیق حل میشوند و یک منطقه پایه غنی از سیلیسیم و منیزیم را ایجاد میکنند.
نقش لایه BECMO
مدلهای جدید نشان میدهند این ناحیه میتواند به یک «اقیانوس ماگمایی آلودهشده با اگزوولوشن» تبدیل شود که BECMO نام دارد. پس از سرد شدن، باقیماندههای جامد این لایه اندکی متراکمتر از گوشته اطراف هستند.
«یوشینوری میازاکی»، استاد دانشگاه راتگرز، توضیح میدهد که احتمالاً مواد نشتی از هسته منشأ اصلی این ساختارها هستند. اضافه شدن این نشتهای آهسته به مدلها باعث شد شبیهسازیها دقیقاً همان تودهها و لکههایی را ایجاد کنند که در لرزهنگاری دیده میشود.
برخلاف مدلهای قبلی، این ساختارها به لایههای آهنغنی منتهی نمیشوند بلکه تودههایی با تراکم متوسط شبیه به پروونسها و مناطق ULVZ ایجاد میکنند.
تأثیر ساختارهای عمیق بر نقاط داغ زمین
برای بررسی حرکت این تودهها، تیم پژوهشی از مدلسازی ژئودینامیکی استفاده کرد. شبیهسازیها نشان داد که این تودههای متراکم در طول میلیاردها سال حرکت میکنند، میپیوندند، نازک میشوند و در نهایت به شکل خوشههایی در پایه گوشته درمیآیند.
این خوشهها با مناطقی منطبق شدند که تصور میشود ستونهای گوشته از آنها برخیزند؛ از جمله نواحی زیر هاوایی و ایسلند که آتشفشانهای داغ را تغذیه میکنند.
بررسیهای مستقل نیز نشان دادهاند که بسیاری از لبههای پروونسها دقیقاً زیر نقاط داغ قرار دارند، موضوعی که این مدلها آن را تأیید میکند.
دِنگ تأکید میکند که ترکیب علوم سیارهای، ژئودینامیک و فیزیک مواد معدنی میتواند به درک این فرایندهای عمیق کمک کند. مدلها همچنین نشان میدهند که ایزوتوپهای خاص میتوانند در مواد BECMO به دام بیفتند؛ ایزوتوپهایی که با دادههای سنگهای آتشفشانی جزایر اقیانوسی مطابقت دارند.
چرا ساختارهای عمیق برای حیات اهمیت دارند
ساختارهای عمیق مانند تودههای BECMO نحوه خروج گرما از درون زمین را کنترل میکنند. این موضوع سرعت سرد شدن هسته و طول عمر میدان مغناطیسی زمین را تغییر میدهد. تغییرات در این میدان تعیین میکند که سطح زمین تا چه حد از ذرات باردار و فرسایش اتمسفر محافظت میشود.
میازاکی میگوید زمین برخلاف سیارات همسایه آب، حیات و جوی پایدار دارد؛ و دلیل این تفاوت احتمالاً در اعماق آن نهفته است. او تأکید میکند این ساختارها «نشانهای بهجامانده از ابتداییترین مراحل تاریخ زمین» هستند.
با افزایش دادهها، تصویر ما از درون زمین از مجموعهای مبهم و پراکنده به داستانی یکپارچه تبدیل شده است؛ داستانی که به گفته میازاکی اکنون «در حال معنا پیدا کردن» است.
این پژوهش در مجله Nature Geoscience منتشر شده است.
اگر این پژوهش برایتان جذاب بود، دیدگاهتان را درباره منشأ حیات در کامنتها بنویسید یا این مقاله را با دوستان علاقهمند به علوم زمین به اشتراک بگذارید.
