1

حدود ۱۷۰۰ مایل (۲۷۰۰ کیلومتر) زیر سطح زمین، لایه‌ای به نام D” قرار دارد. در این منطقه، امواج لرزه‌ای ناگهان سرعت می‌گیرند که این موضوع نشانه‌ای از رفتار عجیب مواد معدنی در اعماق زمین است.

سال‌ها این افزایش ناگهانی سرعت، دانشمندان را گیج کرده بود. اما اکنون، ترکیبی از مدل‌سازی‌های رایانه‌ای و آزمایش‌های سندان الماسی نشان می‌دهد که سنگ‌های جامد گوشته در این عمق در واقع حرکت می‌کنند و حتی در حالت جامد، مانند شیره غلیظ جاری می‌شوند.

حرکت جامد در سنگ‌های گوشته

موتوهیکو موراکامی از دانشگاه ETH زوریخ که سرپرست تیم «فیزیک معدنی تجربی» است می‌گوید:
«ما بالاخره آخرین قطعه پازل را پیدا کردیم.»

این «قطعه» در واقع آرایش منظم و کامل بلوری یک کانی گوشته پایینی به نام پس‌پرووسکایت است. زمانی که دانه‌های این کانی هم‌جهت می‌شوند، امواج زلزله با سرعت بالایی در آن حرکت می‌کنند؛ درست همان‌طور که لرزه‌شناسی جهانی نشان داده است.

جریان سنگ جامد در بالای مرز هسته و گوشته باعث ایجاد برشی می‌شود که دانه‌های معدنی را هم‌تراز می‌کند و به این ترتیب خود گوشته، هم حرکت‌دهنده و هم هدف این هم‌ترازی می‌شود.

از پرووسکایت تا پس‌پرووسکایت

سنگ‌های عمیق گوشته در ابتدا ساختار پرووسکایت دارند. اما در سال ۲۰۰۴ دانشمندان کشف کردند که فشار فوق‌العاده زیاد، این ساختار را به فازی متراکم‌تر و لایه‌ای‌تر به نام پس‌پرووسکایت تبدیل می‌کند.

این کشف برخی ناهنجاری‌های لرزه‌ای را توضیح داد اما هنوز یک شکاف باقی ماند؛ بلورهای جداگانه نمی‌توانستند جهش سرعت موج را توضیح دهند، مگر این که شبکه بلوری دقیقاً در یک جهت مشخص آرایش پیدا کند.

گروه موراکامی نشان داد که وقتی تمام صفحات بلوری به صورت موازی روی هم قرار می‌گیرند، سنگ به‌طور چشمگیری در آن جهت سفت‌تر می‌شود.

شبیه‌سازی جریان‌های عمیق زمین

در آزمایش‌ها، تراشه‌های کوچک منیزیم ژرمانات در دمای بیش از ۲۰۰۰ درجه فارنهایت و فشار بالای ۱۰۰ گیگاپاسکال قرار گرفتند و سپس تحت برش افقی آرام تغییر شکل دادند.

این شرایط، جریان‌های همرفتی عمیقی را بازسازی کرد که در افق لایه D” جریان دارند. پس از خنک شدن نمونه‌ها، طیف‌سنجی بریلوئن نشان داد که سرعت موج‌های برشی تا ۷ درصد بیشتر از نمونه‌های با بافت تصادفی است؛ عددی که با جهش‌های لرزه‌ای جهانی همخوانی دارد.

بازسازی زمین در یک سلول الماسی

برای رسیدن به این نتایج، باید فشارهایی ۱۲ برابر بیشتر از فشار کف گودال ماریانا شبیه‌سازی می‌شد.

سندان‌های الماسی حرارت‌دیده با لیزر فشار لازم را ایجاد کردند و پرتوهای سینکروترون نیز در همان لحظه جهت‌گیری بلورها را اندازه‌گیری کردند.

هم‌زمان با پیچش دانه‌ها و هم‌ترازی آن‌ها، نمونه شروع به «خزش» کرد؛ مدرکی در مقیاس میکروسکوپی که حتی سیلیکات‌های سخت نیز می‌توانند در مقیاس زمین‌شناسی جریان یابند.

با توجه به این که جریان همرفتی گوشته تنها چند سانتی‌متر در سال جابه‌جا می‌شود، تغییر شکل آهسته نمونه‌ها در آزمایش معادل میلیاردها سال حرکت طبیعی زمین است.

نقاله جامد در اعماق زمین

نتیجه این فرآیند، یک «نوار نقاله حالت جامد» است که در عمیق‌ترین لایه زمین می‌لغزد. این نقاله نه‌تنها صفحات سرد را به سمت پایین می‌برد بلکه گرما را هم به سمت بالا منتقل می‌کند و به طور مداوم پس‌پرووسکایت را به یک بازتاب‌دهنده جهانی امواج لرزه‌ای تبدیل می‌کند.

پس‌پرووسکایت و امواج لرزه‌ای

این نوار نقاله معمای لرزه‌ای را حل می‌کند و ارتباط بین جریان گوشته و زمین‌شناسی سطحی را هم تقویت می‌کند.

مدل‌سازی‌های جدید نشان می‌دهد که سنگ هم‌تراز شده می‌تواند ستون‌های حرارتی صعودکننده را هدایت کند و گرما را به صورت جانبی منتقل کند، قبل از آن که به گوشته بالایی نفوذ کنند.

این مکانیزم می‌تواند توضیح دهد که چرا برخی نقاط داغ آتشفشانی صدها مایل با مکان پیش‌بینی‌شده ستون‌های حرارتی فاصله دارند؛ معمایی قدیمی در تکتونیک صفحه‌ای.

پیوند با میدان مغناطیسی زمین

تصویر کلی‌تر ژئودینامیکی نشان می‌دهد که جریان حالت جامد بالای هسته می‌تواند تبادل گرما را تنظیم کند و بر ژئودینامو که مولد میدان مغناطیسی زمین است اثر بگذارد.

اگر گرما در یک نیمکره سریع‌تر از نیمکره دیگر خارج شود، شدت میدان مغناطیسی نیز تغییر می‌کند؛ الگویی که داده‌های دیرینه‌مغناطیسی در ۲۰۰ میلیون سال گذشته نشان داده‌اند.

ارتباط جریان گوشته با سطح زمین

حرکت سنگ جامد در لایه D” می‌تواند ناهنجاری‌های موجود در تکتونیک صفحه‌ای را به‌ویژه در مناطق فرورانش توضیح دهد.

در جاهایی که صفحات به درون گوشته فرو می‌روند، این فرورانش می‌تواند هم‌ترازی پس‌پرووسکایت را تقویت کند و یک چرخه بازخوردی بین بافت گوشته عمیق و رفتار تکتونیکی سطح ایجاد کند.

تغییرات این هم‌ترازی در طول زمان ممکن است مرزهای صفحه‌ای را جابه‌جا کرده یا طول عمر کمان‌های آتشفشانی را تغییر دهد.

اهمیت پس‌پرووسکایت

این مطالعه با روشن کردن جریان عمیق زمین، تفسیرهای لرزه‌ای را دقیق‌تر می‌کند، مدل‌سازی خطر زلزله را بهبود می‌دهد و پیوندی ملموس بین گردش گوشته و پایداری بلندمدت آب‌وهوای زمین ارائه می‌دهد.

زمین‌شناسان اکنون داده‌های آزمایشگاهی دقیقی درباره خاصیت کشسانی پس‌پرووسکایت هم‌تراز دارند و ژئودینامیک‌دان‌ها نیز باید این لایه گوشته را مانند یک بلبرینگ روان در مدل‌های خود لحاظ کنند؛ سفت در یک جهت، ضعیف در جهت دیگر و همیشه در حرکت آهسته.

این نتایج یادآوری می‌کند که حتی در جاهایی که سنگ غیرقابل حرکت به نظر می‌رسد، موتور زمین آرام و پیوسته در حال کار است.

جمع‌بندی

سنگ جامد، اگر به اندازه کافی تحت فشار و گرما قرار گیرد، مانند موم جریان پیدا می‌کند. این پدیده عمیق‌ترین بخش گوشته زمین را به یک بنیان همیشه متحرک برای حیات در سطح آن تبدیل می‌کند.