دانشمندان در کشف قابل‌توجهی که درک ما از توزیع آب زمین را به چالش می‌کشد، با کمک ماده معدنی به نام رینگ‌وودیت، شواهدی پیدا کرده‌اند که نشان می‌دهد چندین اقیانوس آب در زیر ایالات متحده به دام افتاده‌اند.
این کشف که توسط زمین‌شناس استیو جاکوبسن از دانشگاه نورث وسترن و زمین‌لرزه شناس برندون شمیت از دانشگاه نیومکزیکو انجام شده، ممکن است نشان‌دهنده بزرگ‌ترین مخزن آب سیاره باشد.
بازاندیشی در چرخه آب زمین
یافته‌های آنها که در مجله Science منتشر شده است، بر روی شکل‌گیری، ترکیب زمین و میزان آب به‌دام‌افتاده در سنگ‌های گوشته، نور می‌اندازد.
جاکوبسن، یکی از نویسندگان مشترک مقاله، توضیح داد: «فرایندهای زمین‌شناسی در سطح زمین، مانند زلزله یا فوران آتشفشان، بیانگر اتفاقاتی است که در داخل زمین، دور از دید ما رخ می‌دهد.»
جاکوبسن ادامه داد: “فکر می‌کنم ما بالاخره شواهدی برای یک چرخه آب کامل زمین پیدا کرده‌ایم که ممکن است به توضیح مقدار زیاد آب مایع در سطح سیاره قابل‌سکونت ما کمک کند. دانشمندان دهه‌هاست که به دنبال این آب عمیق گمشده بوده‌اند.”
گوشته زمین اسرار قابل‌توجهی دارد
دانشمندان مدت‌هاست در مورد وجود آب به‌دام‌افتاده در گوشته زمین که بین گوشته پایین و بالایی در اعماق ۲۵۰ تا ۴۱۰ مایلی قرار دارد، گمانه‌زنی کرده‌اند.
جاکوبسن و شمیت اولین کسانی هستند که شواهد مستقیمی از وجود آب در این “زون انتقال” در مقیاس منطقه‌ای ارائه می‌دهند که در سراسر بیشتر مناطق داخلی ایالات متحده گسترش‌یافته است.
شمیت، یکی از نویسندگان مشترک مقاله، گفت: «ذوب‌شدن سنگ در این عمق قابل‌توجه است؛ زیرا بیشتر ذوب‌شدن در گوشته در عمق بسیار کم‌تر، در ۵۰ مایل بالایی رخ می‌دهد».
“اگر مقدار قابل‌توجهی H2O در منطقه انتقال وجود داشته باشد، پس باید مقداری ذوب در مناطقی که جریان به گوشته پایین وجود دارد رخ دهد و این با آنچه ما پیدا کردیم مطابقت دارد.”
مایع، یخ، بخار و شکل چهارم آب
آبی که در گوشته کشف شده است به شکلی که برای ما آشناست نیست – مایع، یخ یا بخار نیست. در عوض، در داخل ساختار مولکولی مواد معدنی موجود در سنگ‌های گوشته به دام افتاده است.
فشار عظیمی که توسط ۲۵۰ مایل سنگ جامد ایجاد می‌شود، همراه با دمای بالای ۲۰۰۰ درجه فارنهایت، باعث شکستن مولکول‌های آب و تشکیل رادیکال‌های هیدروکسیل (OH) می‌شود که می‌توانند در ساختار کریستالی یک ماده معدنی قرار گیرند.
جاکوبسن گفت: “بااین‌حال، اینکه آیا این نمونه منحصربه‌فرد نماینده ترکیب داخلی زمین است یا خیر، مشخص نیست.” “اکنون ما شواهدی از ذوب گسترده در زیر آمریکای شمالی در همان اعماقی که مطابق با کم‌آبی رینگ‌وودیت است پیدا کرده‌ایم که دقیقاً همان چیزی است که در آزمایشات من اتفاق افتاده است.”
دنبال‌کردن رینگ‌وودیت
رینگ‌وودیت، یک ماده معدنی با فشار بالا با رنگ آبی خیره‌کننده که به نام زمین‌شناس استرالیایی آلفرد رینگ‌وود نام‌گذاری شده است، در اعماق گوشته زمین در اعماق بین ۴۱۰ و ۶۶۰ کیلومتری (۲۵۰-۴۱۰ مایل) تشکیل می‌شود. آنچه رینگ‌وودیت را واقعاً قابل‌توجه می‌کند، توانایی آن در ذخیره آب در ساختار کریستالی آن است.
ساخت رینگ‌وودیت در آزمایشگاه
جاکوبسن با واکنش‌دادن ماده معدنی سبز الیوین با آب در شرایط فشار بالا، رینگ‌وودیت، یک ماده معدنی آبی شبیه یاقوت را در آزمایشگاه نورث وسترن خود سنتز کرده است. او دریافت که بیش از یک درصد وزن ساختار کریستالی رینگ‌وودیت را می‌تواند آب تشکیل دهد.
در فشارها و دماهای بسیار بالای موجود در منطقه گذر گوشته، مولکول‌های آب به رادیکال‌های هیدروکسیل (OH) تقسیم می‌شوند که سپس می‌توانند در ساختار کریستالی رینگ‌وودیت جای بگیرند.
این فرایند به‌عنوان “جایگزینی هیدروژن” شناخته می‌شود و به رینگ‌وودیت اجازه می‌دهد تا به‌عنوان یک مخزن آب در اعماق زمین عمل کند.
پیامدهای رینگ‌وودیت برای شکل‌گیری و زیست‌پذیری زمین
وجود رینگ‌وودیت غنی از آب در گوشته زمین پیامدهایی برای درک ما از شکل‌گیری سیاره و پتانسیل زیست‌پذیری آن دارد.
با ادامه مطالعه این ماده معدنی جذاب توسط دانشمندان، آنها ممکن است بینش‌های جدیدی در مورد نقش آب در اعماق زمین و تأثیر آن بر فرایندهای زمین‌شناسی که دنیای ما را شکل می‌دهند، به دست آورند.
توانایی رینگ‌وودیت برای ذخیره و حمل آب در گوشته همچنین می‌تواند پیامدهایی برای جستجوی حیات در سیارات دیگر داشته باشد، زیرا وجود آب عاملی کلیدی در توسعه و پایداری حیات به شکلی که می‌شناسیم تلقی می‌شود.
تشخیص ماگما در زیر آمریکای شمالی
شمیت با استفاده از امواج لرزه‌ای، وجود ماگما در زیر آمریکای شمالی را شناسایی کرد که با یافته‌های جاکوبسن مبنی بر ذوب جزئی هنگام قراردادن رینگ‌وودیت سنتز شده در شرایطی حدود ۴۰۰ مایلی زیر سطح زمین مطابقت داشت.
علاوه بر این، مطالعات لرزه‌ای مناطقی از ذوب جزئی را در منطقه گذر گوشته شناسایی کرده است که می‌تواند به آزادشدن آب از رینگ‌وودیت درحالی‌که به مواد معدنی دیگر در اعماق بیشتر تبدیل می‌شود، نسبت داده شود.
شمیت توضیح داد: “داده‌های لرزه‌نگاری از USArray تصویری واضح‌تر از همیشه از ساختار داخلی زمین در زیر آمریکای شمالی به ما می‌دهد.” “ذوبی که می بینیم به نظر می رسد توسط فرورانش – فرو رفتن مواد گوشته از سطح – هدایت می شود.”
فرایند ذوب کم‌آبی
ذوبی که توسط محققان شناسایی شده است ذوب کم‌آبی نامیده می‌شود. هنگامی که رینگ‌وودیت در منطقه گذر به گوشته پایین‌تر حرکت می‌کند، به ماده معدنی با فشار بالاتر به نام سیلیکات پروفسکیت تبدیل می‌شود که نمی‌تواند آب را جذب کند. این باعث می شود سنگ در مرز بین منطقه گذر و گوشته پایین تا حدی ذوب شود.
شمیت گفت: “وقتی سنگی با H2O زیاد از منطقه گذر به گوشته پایین حرکت می‌کند، باید به‌نوعی از H2O خلاص شود، بنابراین کمی ذوب می‌شود.” “این ذوب کم‌آبی نامیده می‌شود.”
جاکوبسن افزود: “هنگامی که آب آزاد می‌شود، ممکن است بخش زیادی از آن در منطقه گذر به‌دام‌افتاده باشد.”
چگونه رینگ‌وودیت به طور تصادفی کشف شد
تیم بین‌المللی دانشمندان مسئول این یافته قابل‌توجه توسط گراهام پیرسون، رئیس تحقیقات کانادا در منابع قطب شمال در دانشگاه آلبرتا رهبری شد.
تجزیه و تحلیل نمونه معدنی نشان داد که حاوی مقدار قابل‌توجهی آب – ۱.۵ درصد وزن آن – است، یافته‌ای که پیامدهای عمیق و دور از دسترسی برای درک ما از اعماق زمین و ماهیت پویای آن داشت.
رینگ‌وودیت دست نیافتنی
معتقد است که رینگ‌وودیت، نوعی از ماده معدنی زردینه (الیوین منیزیم)، در مقادیر زیاد تحت‌فشارهای بالا در منطقه گذر بین گوشته بالایی و پایین زمین وجود دارد.
درحالی‌که رینگ‌وودیت در شهاب‌سنگ‌ها یافت شده است، هیچ نمونه زمینی قبل از ظهور گراهام پیرسون کشف نشده بود. به دلیل اعماق بسیار زیاد تشکیل آن، این ماده معدنی دست‌نیافتنی برای کار میدانی مستقیم است.
کمک معدنچیان کارآزموده در برزیل
نمونه رینگ‌وودیت در سال ۲۰۰۸ در منطقه جوینا در ماتو گروسو، برزیل پیدا شد، جایی که معدنچیان کارآزموده الماسی را از شن‌های رودخانه‌های کم‌عمق استخراج کردند.
الماس که توسط صخره آذرین عمیق به نام کیمبرلیت به سطح زمین آورده شده بود، حاوی درج رینگ‌وودیت بود. تیم پیرسون هنگام جستجوی ماده معدنی دیگری، الماس قهوه‌ای‌رنگ بی‌ارزش تجاری به عرض سه میلی‌متر، کثیف و نامناسب را خریداری کرده بودند.
خوشبختانه، خود رینگ‌وودیت که با چشم غیرمسلح قابل‌مشاهده نبود و در زیر سطح دفن شده بود، در سال ۲۰۰۹ توسط دانشجوی جان مک‌نیل، در زیر میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ، کشف شد.
تأیید یافته
این نمونه قبل از تأیید رسمی به‌عنوان رینگ‌وودیت، سال‌ها تحت تجزیه و تحلیل دقیق با استفاده از طیف‌سنجی رامان و مادون‌قرمز و پراش اشعه ایکس قرار گرفت.
اندازه‌گیری‌های حیاتی آب در آزمایشگاه ژئوشیمی منابع قطبی پیرسون در دانشگاه آلبرتا که بخشی از مرکز ایزوتوپ‌سنجی میکروسکوپی کانادا که به شهرت جهانی رسیده و همچنین میزبان بزرگ‌ترین گروه تحقیقاتی الماس آکادمیک در جهان است، انجام شد.
پیامدها برای دینامیک زمین
برای پیرسون، یکی از برجسته‌ترین مقامات جهان در مطالعه سنگ‌های میزبان الماس در اعماق زمین، این کشف مهم‌ترین کشف دوران حرفه‌ای او بود.
این کشف حدود ۵۰ سال کار نظری و تجربی ژئوفیزیک‌دانان، لرزه‌شناسان و سایر دانشمندانی را که سعی در درک ساختار اعماق زمین داشتند، تأیید کرد.
پیرسون گفت: “یکی از دلایلی که زمین یک سیاره پویا است، وجود مقداری آب در اعماق آن است.” “آب همه چیز را در مورد نحوه عملکرد یک سیاره تغییر می‌دهد.”
رینگ‌وودیت، چرخه آب زمین و آینده
در خلاصه، کشف حیاتی یک مخزن آب عظیم در اعماق گوشته زمین توسط استیو جاکوبسن و برندون شمیت درک ما از شکل‌گیری، ترکیب و چرخه آب سیاره را متحول کرده است.
همان‌طور که محققان به کاوش در فرایندهای پیچیده‌ای که در اعماق زیر سطح زمین رخ می‌دهد ادامه می‌دهند، یافته‌های رینگ وودیت آنها درک جدیدی از تعادل ظریف که سیاره ما را قابل‌سکونت می‌کند، ارائه می‌دهد.
وجود این اقیانوس پنهان که در کریستال‌های سنگ گوشته به‌دام‌افتاده است، گواهی بر نیروهای باورنکردنی در حال کار در داخل زمین و بی‌شمار اسراری است که هنوز در زیر پاهای ما نهفته است.
با هر کشف جدید، به unraveling اسرار گذشته، حال و آینده سیاره خود و قدردانی از دنیای شگفت‌انگیزی که خانه ما می‌نامیم نزدیک‌تر می‌شویم.
