عملکرد آب درون گوشته زمین
هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در منظومه شمسی است. در زمین، هیدروژن به شکل بخار در جو، آب و یخ در اقیانوس، سیالات بسیار مهم در آتش‌فشان‌ها و پوسته زمین، هیدروکسیل در کانی‌های آبدار پوسته و گوشته زمین، پروتون و هیدروکسیل (OH)در ماگما و بالاخره هیدروژن در آهن هسته زمین یافت می‌شود.
آب و هیدروژن نقش بسیار مهمی در پویایی واکنش‌ها و رویدادهای درون زمین دارند. آنها اصطکاک درونی سنگ‌ها را کاهش می‌دهند و موجب وقوع زمین لرزه و شکست می‌شوند. آب با کاهش دمای ذوب سیلیکات در گوشته به شکل‌گیری ماگما کمک می‌کند. آب همچنین سنگ‌ها را نرم کرده و همرفت (انتقال گرما) را در گوشته تقویت می‌کند.
مشاهدات لرزه‌ای و رسانندگی الکتریکی در کنار آزمایش‌های فیزیکی و کانی‌شناختی روی سرعت صوت و رسانندگی الکتریکی کانی‌ها همه حاکی از این هستند که یک منطقه گذار در عمق زمین وجود دارد که دارای آب است. علاوه بر آب، رسوبات قاره‌ای و اقیانوسی همراه با کانی‌هایی مثل بازالت و پریدوتیت نیز در منطقه گذار گوشته زمین شکل می‌گیرند و انباشته می‌شوند.
آب باز هم می‌تواند به لایه‌های پایین‌تر گوشته نفوذ کند که عامل آن بی‌ثباتی گرانشی ناشی از سقوط صفحات پوسته به درون زمین است.
***
برخی از مشهورترین الماس‌های دنیا که هم ابعاد بزرگی دارند و هم بسیار پاک هستند در عمیق‌ترین لایه‌های درونی زمین شکل گرفته‌اند که الماس کولینان، خالص‌ترین و بزرگ‌ترین الماس دنیا، از آن جمله است. این گروه از الماس‌ها در عمقی بین ۳۶۰ و ۷۵۰ کیلومتری از سطح زمین شکل می‌گیرند که «منطقه گذار» (transition zone)یعنی جایی بین گوشته بالایی و پایینی را نیز شامل می‌شود. گاهی ناخالصی‌هایی در این الماس‌ها یافت می‌شوند که در فرایند تبلور در آنها به دام افتاده‌اند و اسرار ژرفای زمین را آشکار می‌کنند.
الماس‌هایی که در ژرفای گوشته زمین متولد می‌شوند نشانه‌هایی از واکنش‌های شیمیایی در خود دارند که در بستر دریا رخ می‌دهند. بررسی و کاوش روی این سنگ ارزشمند و کانی‌های دیگر به شناخت بیشتر چگونگی تبادل مواد بین سطح سیاره و اعماق آن کمک زیادی می‌کند. برای مثال، سرپانتین سنگی که از پریدوتیت، سنگ اصلی گوشته، به وجود می‌آید. این اتفاق زمانی می‌افتد که آب از میان شکاف‌های بستر اقیانوس به درون زمین می‌رود. سرپانتین می‌تواند به دنبال حرکات صفحات تکتونیکی، آب سطح را به عمق ۷۰۰ کیلومتری برساند. تقریباً همه صفحات تکتونیکی بستر دریاها سرانجام خم می‌شوند و به درون گوشته سر می‌خورند. در این فرایند مواد بستر و آب به درون زمین فرو می‌روند.
چرخۀ آب چیزی فراتر از آبی است که بین جو، اقیانوس‌ها و آب‌های سطحی در گردش است. این چرخه به درون زمین و ژرفای آن امتداد می‌یابد. هنگامی که پوسته اقیانوسی در زیر صفحات همجوار پوسته کشیده می‌شود یا می‌لغزد به درون گوشته فرو رفته و آب را هم با خودش می‌برد.
وجود آب در گوشته زمین در سال ۲۰۰۲ پیش بینی شد. سپس در سال ۲۰۱۴ شواهد مستقیم آن بر اساس آزمایش روی نمونه‌ای کانی به نام «رینگ وودیت» (ringwoodite)کشف شد. شواهد بیشتری مبنی بر وجود مقادیر زیاد آب در گوشته طی فرایندهای ذوب در منطقه گذار مشاهده شده‌اند. منطقه گذار نامی است که به لایه مرزی جداکننده گوشتۀ بالایی زمین و گوشتۀ پایینی داده شده است. این منطقه در عمق ۴۱۰ تا ۶۶۰ کیلومتری قرار دارد.
آب به حالت مایع در سنگ‌های گوشته وجود ندارد، بلکه اجزای سازنده آب یعنی هیدروژن و اکسیژن در کانی‌های گوشته به شکل یون‌های هیدروکسید حفظ شده‌اند. مقدار آب موجود در گوشته زمین به طور تخمینی سه برابر مقدار آب اقیانوس‌های سراسر دنیا است.
منطقه گذار، بین گوشتۀ بالایی و گوشتۀ پایینی زمین، دارای مقادیر قابل‌توجهی آب است. یک تیم پژوهشی بین‌المللی از ایتالیا، ایالات‌متحده و آلمان از جمله پژوهشگران «دانشگاه گوته فرانکفورت» یک الماس نادر را مورد مطالعه قرار داده‌اند که ۶۶۰ متر زیر سطح زمین تشکیل شده است. آنها برای این منظور از دو روش طیف بینی رامان و طیف سنجی FTIR استفاده کردند. این مطالعه چیزی را تأیید کرد که تا مدت‌ها فقط یک نظریه بود: چرخه آب سیاره ما آب درون زمین را نیز شامل می‌شود.
فشار فوق‌العاده زیاد در منطقه گذار که تا ۲۳۰۰۰ بار (کمیت فیزیکی فشار) است موجب شکل‌گیری کانی الیوین با رنگ زیتونی می‌شود. این کانی حدود ۷۰ درصد از گوشتۀ بالایی زمین را تشکیل می‌دهد و نام دیگر آن پریدوت است که ساختار بلوری متفاوتی دارد. در مرز بالایی منطقه گذار، در عمق حدود ۴۱۰ کیلومتری، الیوین تبدیل به کانی متراکم‌تری به نام «وادسلیت» (wadsleyite)می‌شود. در عمق ۵۲۰ کیلومتری دوباره دگرگون شده و به کانی به مراتب پرچگال‌تری به نام رینگ وودیت تبدیل می‌شود. این کانی به رنگ آبی روشن است و تنها در دما و فشار بسیار بالا در گوشته زمین شکل می‌گیرد.
این تغییر شکل‌ها تا حد زیادی مانع از حرکات تخته سنگ‌ها در گوشته می‌شوند. برای مثال، زبانه‌های گوشته گاهی درست در زیر منطقه گذار متوقف می‌شوند. زبانه‌های گوشته ستون‌های بالارونده سنگ سخت هستند که از اعماق گوشته بالا می‌آیند. علاوه بر آن، حرکت توده در جهت مخالف نیز متوقف می‌شود. «صفحات فرو رانش» (subducting plates) اغلب به سختی به تمامی منطقه گذار راه می‌یابند. به همین دلیل است که اکنون گورستانی از این صفحات در زیر قاره اروپا وجود دارد. با این حال، تا به امروز کسی نمی‌دانست مکیده شدن آب و مواد به درون منطقه گذار چه تأثیرات طولانی مدتی بر ترکیبات ژئوشیمیایی این منطقه دارند و این که آیا مقادیر بیشتری آب در آنجا وجود دارد یا خیر.
صفحات فرو رانش نیز رسوبات عمق دریاها را به درون زمین منتقل می‌کنند. این رسوبات می‌توانند حجم زیادی آب و کربن‌دی‌اکسید را در خود نگه دارند. اما تا پیش از این معلوم نبود چه مقدار رسوبات دریایی به شکل کانی‌ها آبدار و کربنات‌های پایدار وارد منطقه گذار می‌شود. در نتیجه، معلوم نبود چه مقدار آب در آنجا وجود دارد.
شرایط غالب بدون شک یک عامل برانگیزنده در انتقال آب هستند. بر خلاف الیوین که در عمق کمتر شکل می‌گیرد، دو کانی پرچگال وادسلیت و رینگ وودیت می‌توانند حجم زیادی آب را در خود ذخیره کنند. مقدار آبی که می‌توانند در خود نگه دارند به قدری زیاد است که منطقه گذار می‌تواند شش برابر آب اقیانوس‌ها را به خود جذب کند. بنابراین، تصور می‌شود لایه مرزی با این منطقه نیز گنجایش زیادی برای ذخیره آب داشته باشد.
تیم بین‌المللی پژوهشگران تکه‌ای الماس از بوتسوانا در آفریقا را مورد بررسی قرار دادند. این الماس در عمق ۶۶۰ کیلومتری زمین، درست در سطح تماس منطقه گذار و گوشته پایینی تشکیل شده است. در این ناحیه، کانی رینگ وودیت بر سایر کانی‌ها اولویت دارد. الماس‌هایی که از این عمق استخراج می‌شوند بسیار نادر هستند؛ حتی در مقایسه با تکه‌های الماسی که در ناحیه فوق‌العاده عمیق شکل می‌گیرد و میزان آن فقط یک درصد است. تحلیل‌های آنها نشان می‌دهند که این الماس‌ها مقدار زیادی ناخالصی رینگ وودیت دارند که نشان‌دهنده آب زیاد در محل زایش آن است. به علاوه، توانستند ترکیبات شیمیایی آن را شناسایی کنند. ساختمان شیمیایی آن درست شبیه به ساختار شیمیایی هر تکه‌ای از گوشته بود که در سنگ آتشفشانی بازالت در همه نقاط دنیا یافت می‌شود. این نشان می‌دهد که تکه الماس مورد مطالعه متعلق به بخشی از گوشته زمین است و نیز منطقه گذار مانند اسفنج خشک نیست بلکه مقادیر قابل‌توجهی آب در خود دارد. این واقعیت، آنها را یک قدم به باور «ژول ورن» مبنی بر وجود یک اقیانوس در عمق زمین نزدیک‌تر می‌کند؛ با این تفاوت که اقیانوسی در زیر زمین وجود ندارد و آن چه کشف شده سنگ آبدار است بامیزان رطوبتی که نه خیسی آن احساس می‌شود و نه آب از آن چکه می‌کند.
رینگ وودیت آبدار نخستین بار در سال ۲۰۱۴ در یک قطعه الماس از منطقه گذار کشف شد. نمی‌شد ترکیب شیمیایی آن را به‌طور دقیق تعیین کرد، چون ابعاد ناخالصی‌هایش بسیار کوچک بودند. پس بررسی آن نمی‌توانست نمایانگر نخستین مطالعه جامع روی گوشته باشد، چون منشأ محتوای آب درون الماس نیز ممکن بود یک محیط شیمیایی عجیب باشد. بر خلاف آن، الماس بوتسوانا ۵ر۱ سانتی‌متر است و ناخالصی‌هایش به قدر کافی بزرگ هستند که ترکیب شیمیایی آن قابل تشخیص باشد. این مطالعه مکمل کاری است که در سال ۲۰۱۴ انجام شد.
دانشمندان دیگری هم از طریق مشاهدات دقیق روی قطعه‌های الماس به شواهدی مبنی بر وجود آب غیرجامد در مرز بین گوشته بالایی و پایینی رسیده‌اند. در الماس‌هایی که از دهانه‌های آتشفشان‌های مختلف دنیا در زئیر، چین، سیرا لئون و دیگر نقاط جنوب آفریقا به بیرون پرتاب شده‌اند پس از بازتاباندن پرتوهای ایکس از ناخالصی‌هایشان، نمونه‌هایی از یخ VIIمشاهده شده است. یخ VIIشکلی از یخ است که به طور طبیعی در سطح زمین تشکیل نمی‌شود. کشف این نوع یخ در الماس یک یافته بسیار مهم محسوب می‌شود، چون این ماده فقط تحت فشار فوق‌العاده زیاد شکل می‌گیرد که در عمق ۶۱۰ تا ۸۰۰ کیلومتری زمین وجود دارد. بنابراین، استدلال دانشمندان این است که آب آزادانه در چنین عمقی حرکت داشته تا بتواند ناخالصی‌های درون الماس‌ها را ایجاد کند. این فاصله چند صد کیلومتری از سطح، در محدوده منطقه گذار گوشته طبقه‌بندی می‌شود؛ ناحیه‌ای از درون زمین که هنوز اسرار آن برای ما آشکار نشده‌اند.
بیشترین بخش گوشته متشکل از سنگ سخت تحت فشار زیاد است. لایه پایینی آن، یعنی لایه گذار به هسته نزدیک‌تر است و لایه بالایی به پوسته متصل شده است. برخی از پژوهش‌ها به وجود آب در لایه بالایی گوشته نیز اشاره کرده‌اند.
آب زیاد موجود در منطقه گذار تأثیر زیادی در وضعیت پویایی درون زمین دارد. برای مثال، اثر آن در زبانه‌های داغ گوشته مشهود است که از نقاط زیرین می‌آیند و در منطقه گذار ازحرکت بازمی‌مانند. زبانه‌های گوشته دمای منطقه گذار را که مملو از آب است بالا می‌برند که نتیجه‌اش شکل‌گیری زبانه‌های گوشته جدید و کوچک‌تری است که آب ذخیره شده در این منطقه را جذب می‌کنند. اگر این زبانه‌های غنی از مولکول‌های آب به بالا صعود کنند و از مرز گوشته بالایی بگذرند این اتفاق می‌افتد:
آب درون زبانه‌های گوشته آزاد می‌شود و نقطه ذوب مواد اطراف را پایین می‌آورد. در نتیجه این مواد بلافاصله، قبل از این که به سطح برسند ذوب می‌شوند. سنگ‌هایی که در این قسمت از گوشته زمین انباشته می‌شوند سختی چندانی ندارند و این ویژگی موجب می‌شود حرکات توده سنگی آزادانه‌تر و پویاتر باشند. بالاخره این که منطقه گذار ناگهان به نیروی محرکه‌ای برای چرخش همه مواد تبدیل می‌شود؛ در صورتی که اگر این اتفاقات نمی‌افتاد، این منطقه مانند سدی در برابر پویایی مواد عمل می‌کرد.
به عقیده برخی از دانشمندان، اقیانوس‌های زمین زمانی پدید آمدند که دنباله‌دارهای یخی به سیاره ما برخورد کردند. اما بر اساس مطالعات تازه تر اقیانوس‌ها به گونه‌ای دیگر شکل گرفتند؛ بدین ترتیب که از مرکز زمین به سطح آن تراوش کردند. پس باید ذخیره گاهی از آب در گوشته زمین، در عمق بیش از ۴۰۰ مایلی پنهان باشد. تمامی این آب که سه برابر حجم آب‌های سطح سیاره برآورد شده است، درون سنگ‌ها و تخته سنگ‌های عمق به دام افتاده که همان رینگ وودیت است. آب درون آن ممکن است در فرایندی شبیه به تعریق خارج شده باشد.
دانشمندان به کمک دستگاه لرزه‌سنج حرکت امواج انرژی را که در اثر زمین‌لرزه‌ها ایجاد می‌شوند اندازه‌گیری می‌کنند. سرعت حرکت امواج هنگامی عبور از ناحیه‌ای از پوسته که حاوی رینگ وودیت است کم می‌شود. توضیحی که برای کند شدن امواج در این منطقه خاص از مرکز زمین ارائه شده اشباع بودن رینگ وودیت از آب است.
ناپیوستگی لرزه‌ای که در عمق متوسط ۶۴۷ تا ۶۵۴ کیلومتری زمین رخ می‌دهد در ناحیه مرزی بین منطقه گذار و گوشته زیرین است. به نظر می‌رسد ناپیوستگی لرزه‌ای ناشی از تبدیل رینگ وودیت به بریدگمانیت و منیزیم اکسید باشد. یک پارامتر مهم که بر این فاز تأثیر می‌گذارد هیدراسیون یا جذب آب در منطقه گذار است.
code
اکبر عزیزی تا سه نشه ، بازی نشه!