كيف كشف العلماء أسرار المياه العميقة للأرض

وصلت دراسة رائدة إلى قلب المياه السطحية للأرض، مما أدى إلى تغيير تركيبته واقتراح تفاعل أكثر ديناميكية بين اللب والوشاح ودورة مياه عالمية معقدة.

قبل بضعة عقود، حدد علماء الزلازل الذين قاموا بتصوير الكوكب العميق طبقة رقيقة يبلغ سمكها بضع مئات من الكيلومترات. وظل أصل هذه الطبقة، المعروفة بالطبقة الأولية E، لغزًا حتى الآن.

كشف فريق دولي من الباحثين، يضم علماء جامعة ولاية أريزونا دان شيم، وديهيون كيم، وجوزيف أورورك من مدرسة استكشاف الأرض والفضاء، أن المياه من سطح الأرض يمكن أن تخترق أعماق الكوكب، وتغير تركيبته. المعدن هو الجزء الخارجي من القلب السائل ويشكل طبقة رقيقة مميزة.

تم نشر بحثهم في 13 نوفمبر في المجلة علوم الأرض الطبيعية.

عملية النقل في المياه العميقة

تشير الأبحاث إلى أنه على مدى مليارات السنين، حملت الصفائح التكتونية المياه السطحية المغمورة أو المغمورة في أعماق الأرض. بمجرد وصولها 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.

يكشف باطن الأرض عن انخفاض المياه وعمود متصاعد من الصهارة. عند السطح البيني حيث يلتقي الماء المتدفق باللب، يحدث تبادل كيميائي، مما يشكل طبقة غنية بالهيدروجين في اللب العلوي والسيليكا الكثيفة في الوشاح السفلي. الائتمان: جامعة يونسي

التفاعلات الكيميائية على الحدود الأساسية للوشاح

مع يونج جاي لي جامعة يونسي وفي كوريا الجنوبية، أثبت شيم وفريقه من خلال تجارب الضغط العالي أن الماء المغمور يتفاعل كيميائيًا مع مواد حيوية. يؤدي هذا التفاعل إلى إنشاء طبقة غنية بالهيدروجين ومختزلة من السيليكون، مما يحول النواة العلوية إلى بنية تشبه الفيلم. بالإضافة إلى ذلك، يشكل التفاعل بلورات السيليكا، التي تعلو وتتجمع في الوشاح. ومن المتوقع أن تكون هذه الطبقة المعدنية السائلة المعدلة أقل كثافة، وتتماشى مع الخصائص الشاذة التي رسمها علماء الزلازل، مما يقلل من السرعات الزلزالية.

التفاعل الأساسي والوشاح والآثار العالمية

“لسنوات عديدة، كان يُعتقد أن انتقال المواد بين قلب الأرض وقشرتها كان صغيرًا. ومع ذلك، فإن تجاربنا الأخيرة في الضغط العالي تكشف قصة مختلفة. لقد وجدنا أنه عندما يصل الماء إلى حدود اللب والوشاح، فإنه يتفاعل مع السيليكون في الغلاف الجوي. قال شيم: “إن النواة تشكل السيليكا”. “هذه النتيجة، إلى جانب ملاحظتنا السابقة للألماس المتكون من تفاعل الماء مع الكربون في سائل حديدي تحت ضغط شديد، تشير إلى تفاعلات ديناميكية للغاية بين اللب والوشاح مما يشير إلى حدوث نقل كبير للمواد.”

يعزز هذا الاكتشاف فهمنا للعمليات الداخلية للأرض، مما يشير إلى دورة مياه عالمية أكثر شمولاً مما كان معترفًا به سابقًا. إن “الفيلم” المتغير للقلب له آثار عميقة على الدورات الجيوكيميائية التي تربط دورة المياه السطحية بالنواة المعدنية العميقة.

المرجع: ديهيون كيم، جوزيف جي. أورورك، جيونج مين لي، ستيلا شاريتون، فيتالي براجابينكا، راشيل ج. “الطبقة الغنية بالهيدروجين في اللب الخارجي للقشرة العلوية” بقلم HUSBAND، نيكو جيوردانو، هانز بيتر ليرمان، سانغ هيون شيم، ويونغجاي لي، 13 نوفمبر 2023، علوم الأرض الطبيعية.
DOI: 10.1038/s41561-023-01324-x

أجرى فريق دولي من الجيولوجيين الدراسة باستخدام تقنيات تجريبية متقدمة في مصدر الفوتون المتقدم التابع لمختبر أرجون الوطني وPETRA III التابع لشركة Deutsches Elektronen-Synchrotron في ألمانيا لمحاكاة الظروف القاسية عند حدود الوشاح الأساسي.

يشمل أعضاء فريق جامعة ولاية أريزونا وأدوارهم الرئيسية كيم، الذي بدأ المشروع كطالب دكتوراه زائر وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في كلية استكشاف الأرض والفضاء؛ وشيم، الأستاذ في مدرسة استكشاف الأرض والفضاء الذي قاد تجربة الضغط العالي؛ وأجرى أورورك، الأستاذ المساعد في كلية استكشاف الأرض والفضاء، عمليات محاكاة حسابية لفهم تكوين واستقرار الطبقة الرقيقة المعدلة في النواة. قاد لي فريقًا بحثيًا في جامعة يونسي، جنبًا إلى جنب مع علماء الأبحاث الرئيسيين فيتالي براجابينجا وستيلا شاريتان في مصدر الفوتون المتقدم وراشيل زوج ونيكو جيوردانو وهانز بيتر ليرمان في Deutsches Elektronen-Synchrotron.

تم دعم هذا العمل من قبل برنامج علوم الأرض NSF.