تم اكتشاف انتقال الطور الكمي على مستوى العالم في أعماق الأرض

رسم توضيحي مصاحب لمقالة Nature Communications ، “التعبير الزلزالي عن تقاطع دوران الحديد في ferropericlase في الوشاح السفلي للأرض”. الائتمان: نيكوليتا باروليني / هندسة كولومبيا

يجمع فريق متعدد التخصصات من علماء فيزياء المواد والجيوفيزيائيين بين التنبؤات النظرية والمحاكاة والتصوير المقطعي الزلزالي لإيجاد انتقال الدوران في وشاح الأرض.

باطن الأرض لغز ، خاصة في الأعماق الأكبر (> 660 كم). يمتلك الباحثون فقط صورًا مقطعية زلزالية لهذه المنطقة ، ولتفسيرها يحتاجون إلى حساب السرعات الزلزالية (الصوتية) في المعادن في ضغوط ودرجات حرارة عالية. باستخدام هذه الحسابات ، يمكنهم إنشاء خرائط سرعة ثلاثية الأبعاد وتحديد المعادن ودرجة حرارة المناطق المرصودة. عندما يحدث انتقال طور في معدن ، مثل تغير في التركيب البلوري تحت الضغط ، يلاحظ العلماء تغيرًا في السرعة ، وعادةً ما يكون انقطاعًا قويًا في السرعة الزلزالية.

في عام 2003 ، لاحظ العلماء في المختبر نوعًا جديدًا من تغير الطور في المعادن – تغير في دوران الحديد في فيروبيريكلاز ، ثاني أكثر المكونات وفرة في الوشاح السفلي للأرض. يمكن أن يحدث تغيير في الدوران ، أو تقاطع الدوران ، في معادن مثل ferropericlase تحت محفز خارجي ، مثل الضغط أو درجة الحرارة. في السنوات التالية ، أكدت المجموعات التجريبية والنظرية هذا التغيير في الطور في كل من ferropericlase و bridgmanite ، وهي المرحلة الأكثر وفرة من الوشاح السفلي. لكن لا أحد يعرف حقًا سبب حدوث ذلك أو مكان حدوثه.

يُنظر إلى الصفائح المحيطية الباردة والمنخفضة على أنها مناطق سريعة السرعة في (أ) و (ب) ، ويُنظر إلى صخور الوشاح الصاعدة الدافئة على أنها مناطق بطيئة السرعة في (ج). تنتج الصفائح والأعمدة إشارة تصوير مقطعي متماسكة في نماذج الموجة S ، لكن الإشارة تختفي جزئيًا في نماذج الموجة P. Credit: Columbia Engineering

في عام 2006 ، نشرت أستاذة الهندسة بجامعة كولومبيا ، ريناتا وينتزكوفيتش ، أول ورقة بحثية لها عن فيروبيريكلاز ، حيث قدمت نظرية عن تقاطع السبين في هذا المعدن. اقترحت نظريته أن هذا حدث على مدى ألف كيلومتر في الوشاح السفلي. منذ ذلك الحين ، وينتزكوفيتش ، وهو أستاذ في قسم الفيزياء التطبيقية والرياضيات التطبيقية ، وعلوم الأرض والبيئة ، ومرصد لامونت دوهرتي للأرض في جامعة كولومبيا، نشر 13 ورقة مع مجموعته حول هذا الموضوع ، ودراسة السرعات في جميع المواقف الممكنة لتقاطع السبين في ferropericlase و bridgmanite ، والتنبؤ بخصائص هذه المعادن خلال هذا التقاطع. في عام 2014 ، تنبأ Wenzcovitch ، الذي يركز بحثه على دراسات ميكانيكا الكم الحاسوبية للمواد في ظل الظروف القاسية ، وخاصة المواد الكوكبية ، بكيفية اكتشاف ظاهرة التحول الدوراني هذه في الصور المقطعية الزلزالية ، لكن علماء الزلازل لا يزالون غير قادرين على رؤيتها.

من خلال العمل مع فريق متعدد التخصصات من Columbia Engineering ، فإن جامعة أوسلو، معهد طوكيو للتكنولوجيا ، وشركة إنتل ، أحدث مقال لـ Wenzcovitch يشرح بالتفصيل كيف حددوا الآن إشارة عبور الدوران لـ ferropericlase ، وهو انتقال طور كمي عميق في الوشاح السفلي للأرض. تم ذلك عن طريق فحص مناطق معينة من وشاح الأرض حيث من المتوقع أن تتوافر فيروبيريكلاز. تم نشر الدراسة في 8 أكتوبر 2021 في التواصل مع الطبيعة.

قال وينتزكوفيتش: “هذا الاكتشاف المثير ، الذي يؤكد توقعاتي السابقة ، يوضح أهمية عمل علماء فيزياء المواد والجيوفيزياء معًا لمعرفة المزيد حول ما يحدث في أعماق الأرض”.

يشيع استخدام الانتقال الدوراني في مواد مثل تلك المستخدمة في التسجيل المغناطيسي. إذا قمت بتمديد أو ضغط طبقات قليلة من مادة مغناطيسية بسمك نانومتر ، فيمكنك تغيير الخصائص المغناطيسية للطبقة وتحسين خصائص التسجيل للوسيط. تظهر دراسة Wentzcovitch الجديدة أن نفس الظاهرة تحدث على مدى آلاف الكيلومترات داخل الأرض ، من المقياس النانوي إلى المقياس الكلي.

بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت المحاكاة الجيوديناميكية أن تقاطع السبين يحفز الحمل الحراري في وشاح الأرض وحركة الصفائح التكتونية. لذلك نعتقد أن هذه الظاهرة الكمومية تزيد أيضًا من تكرار الأحداث التكتونية مثل الزلازل والانفجارات البركانية ، “يلاحظ وينتزكوفيتش.

لا يزال هناك العديد من مناطق الوشاح التي لا يفهمها الباحثون ، والتغيير في حالة الدوران ضروري لفهم السرعات ، واستقرار الطور ، وما إلى ذلك. يواصل Wentzcovitch تفسير الخرائط المقطعية الزلزالية باستخدام السرعات الزلزالية التي تنبأ بها منذ البداية الحسابات على أساس نظرية الكثافة الوظيفية. تقوم أيضًا بتطوير وتطبيق تقنيات محاكاة المواد الأكثر دقة للتنبؤ بالسرعات الزلزالية وخصائص النقل ، خاصة في المناطق الغنية بالحديد أو المنصهر أو بالقرب من درجات حرارة الانصهار.

يقول Wentzcovitch: “الأمر المثير بشكل خاص هو أن طرق محاكاة المواد لدينا قابلة للتطبيق على المواد شديدة الارتباط – المواد متعددة الحرائق ، والكهرباء الحديدية ، والمواد ذات درجة الحرارة المرتفعة بشكل عام”. “سنكون قادرين على تحسين تحليلاتنا للصور المقطعية ثلاثية الأبعاد للأرض ومعرفة المزيد حول كيفية تأثير الضغوط الهائلة من داخل الأرض بشكل غير مباشر على حياتنا فوق سطح الأرض. “

المرجع: “التعبير الزلزالي عن تقاطع دوران الحديد في الفيروبريكلاز في الوشاح السفلي للأرض” بقلم غريس إ. شيبارد ، وكريستين هوسر ، وجون دبليو هيرنلوند ، وخوان ج. 8 أكتوبر 2021 ، التواصل مع الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z