رسم توضيحي لبلورات السيليكا الخارجة من المعدن السائل في اللب الخارجي للأرض بسبب تفاعل كيميائي ناتج عن الماء. الائتمان: دان شيم / جامعة ولاية أريزونا
كشفت دراسة رائدة أن المياه السطحية للأرض تصل إلى اللب، مما يغير تركيبها ويقترح تفاعلًا أكثر ديناميكية بين اللب والوشاح ودورة مياه عالمية معقدة.
قبل بضعة عقود، حدد علماء الزلازل الذين صوروا الكوكب العميق طبقة رقيقة يزيد سمكها قليلاً عن بضع مئات من الكيلومترات. وظل أصل هذه الطبقة، المعروفة بالطبقة الأولية E، لغزا حتى الآن.
كشف فريق دولي من الباحثين، يضم العلماء دان شيم وتيهيون كيم وجوزيف أورورك من كلية استكشاف الأرض والفضاء بجامعة ولاية أريزونا، أن المياه من سطح الأرض يمكن أن تخترق أعماق الكوكب، مما يغير تكوين المنطقة الخارجية للكوكب. النواة السائلة المعدنية وتكوين طبقة رقيقة ومتميزة.
تم نشر بحثهم في 13 نوفمبر في المجلة علوم الارض الطبيعية.
عملية النقل في المياه العميقة
تشير الأبحاث إلى أنه على مدى مليارات السنين، انتقلت المياه السطحية إلى أعماق الأرض عن طريق نزول أو اندساس الصفائح التكتونية. عند الوصول إلى الحدود بين اللب والوشاح، على بعد حوالي 1800 ميل تحت السطح، تؤدي هذه المياه إلى تفاعل كيميائي عميق، مما يؤدي إلى تغيير بنية اللب.
رسم توضيحي لباطن الأرض يكشف عن المياه المندسة وعمودًا متصاعدًا من الصهارة. عند السطح البيني حيث يلتقي الماء المندس باللب، يحدث تبادل كيميائي لتكوين طبقة غنية بالهيدروجين في اللب الخارجي العلوي والسيليكا الكثيفة في الجزء السفلي من الوشاح. الائتمان: جامعة يونسي
التفاعلات الكيميائية على الحدود الأساسية للوشاح
مع يونغ جاي لي من جامعة يونسي وفي كوريا الجنوبية، أثبت شيم وفريقه، من خلال تجارب الضغط العالي، أن الماء المغمور يتفاعل كيميائيًا مع المواد الأساسية. يشكل هذا التفاعل طبقة غنية بالهيدروجين ومستنفدة للسيليكون، مما يحول المنطقة المركزية الخارجية العلوية إلى بنية تشبه الفيلم. بالإضافة إلى ذلك، يولد التفاعل بلورات السيليكا التي ترتفع وتندمج في الوشاح. من المتوقع أن تكون هذه الطبقة المعدنية السائلة المعدلة أقل كثافة، مع سرعات زلزالية منخفضة، بما يتوافق مع الميزات الشاذة التي رسمها علماء الزلازل.
التفاعل الأساسي والوشاح والآثار العالمية
“لسنوات عديدة، كان يُعتقد أن تبادل المادة بين قلب الأرض ووشاحها كان محدودًا. ومع ذلك، فإن تجاربنا الأخيرة في الضغط العالي تحكي قصة مختلفة. وقال شيم: “لقد وجدنا أنه عندما يصل الماء إلى الحدود بين اللب والوشاح، فإنه يتفاعل مع السيليكون الموجود في اللب، مكونًا السيليكا”. “هذه النتيجة، إلى جانب ملاحظتنا السابقة للألماس المتكون من تفاعل الماء مع الكربون الموجود في سائل الحديد تحت ضغط شديد، تشير إلى تفاعل أكثر ديناميكية بين اللب والوشاح، مما يشير إلى تبادل مادي كبير.”
يعزز هذا الاكتشاف فهمنا للعمليات الداخلية للأرض، مما يشير إلى دورة مياه عالمية أكثر شمولاً مما كان يعتقد سابقًا. إن “الطبقة” الأساسية المتغيرة لها آثار عميقة على الدورات الجيوكيميائية التي تربط دورة المياه السطحية بالنواة المعدنية العميقة.
المرجع: “طبقة غنية بالهيدروجين في اللب الخارجي العلوي تنشأ من المياه المغمورة بعمق” بقلم تايهيون كيم، جوزيف جي أورورك، جيونجمين لي، ستيلا شاريتون، فيتالي براكابينكا، راشيل جيه زوج، نيكو جيوردانو، هانز بيتر ليرمان، سانغ هيون شيم ويونغجاي لي، 13 نوفمبر 2023، علوم الارض الطبيعية.
DOI: 10.1038/s41561-023-01324-x
أجرى هذه الدراسة فريق دولي من علماء الجيولوجيا باستخدام تقنيات تجريبية متقدمة في مصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرجون الوطني وPETRA III في Deutsches Elektronen-Synchrotron في ألمانيا لإعادة إنتاج الظروف القاسية عند حدود الوشاح الأساسي.
أعضاء الفريق وأدوارهم الرئيسية في جامعة ولاية أريزونا هم كيم، الذي بدأ هذا المشروع كطالب دكتوراه زائر وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في كلية استكشاف الأرض والفضاء؛ شيم، الأستاذ في مدرسة استكشاف الأرض والفضاء، الذي قاد العمل التجريبي للضغط العالي؛ وأورورك، الأستاذ المساعد في كلية استكشاف الأرض والفضاء، الذي أجرى عمليات محاكاة حاسوبية لفهم تكوين واستمرار الطبقة الرقيقة المعدلة في النواة. قاد لي فريق بحث جامعة يونسي، جنبًا إلى جنب مع الباحثين الرئيسيين فيتالي براكابينكا وستيلا شاريتون من مصدر الفوتون المتقدم، وراشيل زوج، ونيكو جيوردانو، وهانس بيتر ليرمان من Deutsches Elektronen-Synchrotron.
تم دعم هذا العمل من قبل برنامج علوم الأرض NSF.
