دو توده‌ی غول‌پیکر و عجیب در اعماق زمین چیست؟

یکی از عجیب‌ترین رازهای سیاره‌ی ما، وجود دو «توده‌ی عظیم و بسیار متراکم» در اعماق زمین است که به‌شکلی نامتعارف درست بالای هسته‌ی زمین تجمع یافته‌اند.

کد خبر: ۸۹۶۲۴۴

تاریخ: ۰۱ آذر ۱۴۰۴ - ۱۲:۲۲

به‌گزارش انتخاب و به نقل از  sciencealert؛ اکنون مدل‌های جدید ممکن است روشن کنند که این دو جرم مرموز از کجا آمده‌اند—و جواب، هیچ‌یک از سناریوهای پیش‌بینی‌شده نیست. به‌نظر می‌رسد بخشی از مواد، میلیاردها سال پیش در زمانی که زمین تازه شکل گرفته بود، از یک هسته‌ی نشت‌کننده به بیرون تراوش کرده و با گوشته‌ی زمین مخلوط شده باشند و ساختارهایی را پدید آورده باشند که امروزه آن‌ها را با نام «مناطق بزرگ با سرعت برشی بسیار پایین» (LLSVPs) می‌شناسیم.

یوشینوری میازاکی، زمین‌پویش‌گر دانشگاه راتجرز می‌گوید:

«این‌ها پدیده‌های اتفاقی یا تصادفی نیستند؛ این‌ها اثرانگشت‌های تاریخ اولیه‌ی زمین‌اند. اگر بفهمیم چرا وجود دارند، می‌توانیم بفهمیم سیاره‌ی ما چطور شکل گرفت و چرا قابل سکونت شد.»

کشف دو توده‌ی مرموز

دو LLSVP دهه‌ی ۱۹۸۰ در داده‌های لرزه‌ایِ حاصل از زمین‌لرزه‌ها شناسایی شدند. این داده‌ها حضور دو منطقه‌ی عظیم در عمیق‌ترین بخش گوشته‌ی زمین را نشان می‌داد:

یکی زیر آفریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام. این توده‌ها از مرز میان هسته و گوشته—در عمق حدود ۲٬۹۰۰ کیلومتری از سطح زمین—به سمت بالا امتداد یافته‌اند.

امواج لرزه‌ای هنگام عبور از این توده‌ها آهسته‌تر حرکت می‌کنند، که نشان‌دهنده‌ی ترکیب متفاوت آن‌ها نسبت به مواد پیرامون است.

نظریه‌های گذشته: از صفحات فرورفته تا بقایای تشکیل ماه

دانشمندان پیش‌تر فرضیه‌های مختلفی مطرح کرده‌اند:

• بقایای صفحات تکتونیکی که در گذشته به درون گوشته فرو رفته‌اند

• سرد شدن «اقیانوس ماگما» در آغاز تاریخ زمین

• یا تکه‌هایی از جسمی غول‌پیکر به نام تِیا (Theia) که با زمین برخورد کرد و ماه را پدید آورد

این توده‌ها صرفاً پدیده‌ای عجیب نیستند. توده‌ی آفریقایی حتی متهم شده که باعث تضعیف میدان مغناطیسی زمین بر فراز اقیانوس اطلس شده است. برخی دانشمندان نیز معتقدند این توده‌ها نقشی در شکل‌گیری صفحات تکتونیکی داشته‌اند؛ ساختاری که برای زیست‌پذیری زمین حیاتی است.

در نتیجه، منشأ این ساختارها و علت قرار گرفتنشان در آن محل، می‌تواند پاسخی برای فهم تکامل زمین و رفتار کنونی آن باشد.

نظریه‌ی جدید: تراوش مواد از هسته‌ی جوان زمین

مطالعه‌ای جدید نشان داده این توده‌ها بسیار قدیمی و پایدار هستند؛ نکته‌ای که با نظریه‌ی «اقیانوس ماگما» سازگاری دارد.

در این نظریه، زمین تازه‌متولدشده یک گلوله‌ی مذاب و نیمه‌مایع بوده که سطح آن را یک اقیانوس عظیم ماگمایی پوشانده بود.

با سرد شدن تدریجی این اقیانوس ماگما، مواد سنگین‌تر جدا شده و فرو رفته‌اند.

شواهد دیگر نیز این نظریه را تقویت می‌کنند: وجود نواحی بسیار نازک در مرز هسته–گوشته، موسوم به «مناطق با سرعت بسیار بسیار پایین» (ULVZs)، که اغلب در حاشیه‌ی LLSVPها دیده می‌شوند و امواج لرزه‌ای در آن‌ها تا ۱۰ برابر کندتر عبور می‌کنند.

اگر نظریه‌ی اقیانوس ماگما درست باشد، زمین باید ساختاری لایه‌لایه و منظم شبیه کیک داشته باشد، و لایه‌ی بالای هسته باید مقدار زیادی فروپریکلاز در خود جای دهد. اما داده‌های لرزه‌ای نشان می‌دهد مقدار فروپریکلاز بسیار کمتر از حد انتظار است و شکل نامنظم LLSVPها و ULVZها نیز این مدل را نقض می‌کند.

میازاکی می‌گوید:

«این تناقض نقطه‌ی شروع ما بود. اگر با مدل اقیانوس ماگما شروع کنیم، به آنچه امروز در گوشته می‌بینیم نمی‌رسیم. یک عامل گم‌شده وجود داشت.»

شبیه‌سازی‌ها چه نشان دادند؟

پژوهشگران برای یافتن این «عامل گم‌شده» شبیه‌سازی‌هایی انجام دادند. آن‌ها مواد اولیه‌ی تشکیل‌دهنده‌ی زمین را ترکیب کردند و سرد شدن آن‌ها را با و بدون نشت مواد از هسته مدل‌سازی کردند.

نتیجه شگفت‌انگیز بود:

همه‌ی عناصر با یک سرعت سرد و کریستال نمی‌شوند.

در فشار بالای هسته‌ی در حال سرد شدن، منیزیم اکسید و سیلیسیم دی‌اکسید سریع‌تر از آهن متبلور می‌شوند. این مواد به سمت بالا شناور می‌شوند و از مرز هسته–گوشته به درون اقیانوس ماگما فشرده و رانده می‌شوند و در آن حل می‌گردند.

ورود این مواد، شیمی ماگما را تغییر می‌دهد و تشکیل سنگ‌های سیلیکاتی غنی مانند بریجمنیت و سایفرتیت را تقویت می‌کند. به‌این‌ترتیب، لایه‌ی پایینی گوشته عمدتاً از این مواد پر می‌شود و سطح فروپریکلاز همچنان پایین می‌ماند.

با وجود دماها و فشارهای افراطی در اعماق زمین، این ساختارها می‌توانند طی ۴.۵ میلیارد سال دوام بیاورند و به‌مرور با جریان‌های همرفتی جمع شده و توده‌هایی را بسازند که امروز در داده‌های لرزه‌ای مشاهده می‌کنیم.

این نتایج چشمگیر است و نظریه‌ی اقیانوس ماگما را دوباره به‌عنوان توضیحی محتمل برای این ساختارهای عظیم و متراکم پنهان در اعماق زمین مطرح می‌کند.

اگر LLSVPها و ULVZها واقعاً نقشی در شکل‌گیری صفحات تکتونیکی داشته باشند—صفحه‌هایی که برای قابل زیستن بودن زمین حیاتی‌اند—ممکن است سرنخ‌های تازه‌ای درباره‌ی نحوه‌ی تکامل متفاوت سایر سیاره‌ها هم به ما بدهند.

میازاکی می‌گوید:

«با وجود اینکه شواهد کمی داریم، کم‌کم داریم روایتی می‌سازیم که معنا پیدا می‌کند. این مطالعه کمی قطعیت بیشتری درباره‌ی تکامل زمین و علت ویژه‌بودن آن به ما می‌دهد.»

این پژوهش در مجله‌ی Nature Geoscience منتشر شده است.