راز سفر آب به اعماق زمین در دل یک الماس فوق عمیق
تجزیه و تحلیل اشعه ایکس از یک الماس برزیلی، مجموعهای از مواد معدنی غیرمنتظره را نشان داد که تحت شرایط سخت تشکیل شدهاند. این کشف ممکن است ایدههای مربوط به چرخه آبهای عمیق زمین را تغییر دهد.
به گزارش هفت صبح سنگی که در شتابدهنده ذرات سیریوس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته، این فرضیه را تأیید میکند که گوتیت معدنی میتواند آب را از سطح سیاره به سنگهای گوشته پایینی منتقل کند.
یک حفره میکروسکوپی که درون یک الماس به طول تنها ۳ میلیمتر قرار گرفته است، ممکن است چگونگی حرکت آب از سطح زمین به اعماق داخلی این سیاره را ثبت کند. یک تیم تحقیقاتی برزیلی اولین شواهد مستقیم را یافتند که نشان میدهد گوتیت، ماده معدنی که رنگ قهوهای بسیاری از خاکها را ایجاد میکند، میتواند گرما و فشار شدید مرتبط با گوشته پایینی را تحمل کند.
گوتیت در خاکها و کف اقیانوسها زمانی تشکیل میشود که مواد معدنی غنی از آهن با آب واکنش میدهند. برخی از مولکولهای آب در ساختار بلوری این ماده معدنی گنجانده میشوند و این احتمال را افزایش میدهند که گوتیت میتواند آب را به سمت پایین حمل کند و آن را در اعماق سطح آزاد کند.
تحقیقات قبلی نشان داده است که آب از پوسته زمین میتواند به گوشته بالایی برسد که تا عمق حدود ۶۶۰ کیلومتری امتداد دارد. پوسته، بیرونیترین لایه سنگی سیاره است که تقریباً ۲۰ تا ۸۰ کیلومتر در زیر قارهها و ۵ تا ۱۰ کیلومتر در زیر اقیانوسها ضخامت دارد. در زیر گوشته بالایی، گوشته پایینی قرار دارد، جایی که مواد شیمیایی مشابه، ساختارهای کریستالی متفاوتی را تحت گرما و فشار بیشتر تشکیل میدهند. این منطقه تا حدود ۲۹۰۰ کیلومتر زیر سطح ادامه دارد.
این یافتهها در ماه مه در مجله Scientific Reports منتشر شد . این تحقیق در Sirius، یک شتابدهنده ذرات که توسط آزمایشگاه نور سینکروترون برزیل (LNLS)، بخشی از مرکز تحقیقات انرژی و مواد برزیل (CNPEM) در کامپیناس، ایالت سائوپائولو، اداره میشود، انجام شد.
این پروژه از پایاننامه کارشناسی ارشد کارولینا کاماردا، زمینشناس، تحت نظارت تیاگو جالوویتسکی، زمینشناس از دانشگاه برازیلیا (UnB) و هلیو تولنتینو، فیزیکدان از LNLS، نشأت گرفت. بودجه آن از سوی هماهنگی برای بهبود پرسنل آموزش عالی (CAPES)، آژانسی وابسته به وزارت آموزش برزیل، تأمین شد.
کاماردا با فرناندا جرواسونی، زمینشناس دانشگاه فدرال پلوتاس (UFPel) در ایالت ریو گرانده دو سول، همکاری کرد. جرواسونی اکنون در حال گذراندن دوره فوق دکترا در LNLS تحت نظارت تولنتینو و با بودجه FAPESP است .
یک الماس نادر، سرنخهای عمیقی را در خود جای داده است
تحقیقات با بازدید از یک تعاونی معدنچیان طلا در ژوئیه ۲۰۱۸ آغاز شد. جرواسونی و جالوویتسکی به منطقه چاپادائو در نزدیکی جویینا، در ایالت ماتو گروسو سفر کردند و در آنجا الماسهای فوقالعاده عمیقی به عنوان هدیه دریافت کردند.
چنین الماسهایی تنها در چند مکان در سراسر جهان یافت میشوند و بیش از ۳۰۰ کیلومتر زیر سطح زمین تشکیل میشوند. بیشتر الماسها از عمق حدود ۱۵۰ کیلومتری سرچشمه میگیرند. هر دو نوع در نهایت به صورت ماگما مرتبط با فورانهای آتشفشانی به سطح زمین میرسند.
این تحقیق اولین تحقیق در جهان است که یک الماس فوق عمیق را با استفاده از تکنیکهای نور سینکروترون از ابتدا تا انتها تجزیه و تحلیل میکند. یکی از الماسهای Juína که به صورت تصادفی انتخاب شده بود، جزو اولین موادی بود که در دو خط پرتو شتابدهنده ذرات Sirius تجزیه و تحلیل شد. منبع: LNLS-CNPEM
بسیاری از الماسهای بسیار عمیق به عنوان جواهر مطلوب نیستند زیرا شکلهای نامنظمی دارند و حاوی قطعات تیرهای از موادی هستند که در حین تشکیل کریستالها به دام افتادهاند. این قطعات که به آنها ادخالهای معدنی میگویند، میتوانند برای زمینشناسان ارزشمندتر از الماس اطراف باشند.
از آنجا که الماس آنها را از تغییرات بعدی محافظت میکند، این ناخالصیها شواهدی از شرایط فیزیکی و شیمیایی اعماق زمین در صدها میلیون سال پیش را حفظ میکنند. آنها به عنوان سوابق طبیعی محیطهایی عمل میکنند که دانشمندان نمیتوانند مستقیماً از آنها نمونهبرداری کنند.
الماسهای بسیار عمیق برای اولین بار در اواخر دهه ۱۹۸۰ در نزدیکی جوینا شناسایی شدند و به اکتشافات متعددی در مورد ساختار داخلی زمین کمک کردهاند. تحقیقات قبلی روی این سنگها توسط دانشمندان خارج از برزیل انجام شده بود.
جرواسونی خاطرنشان میکند: «مطالعهی ما اولین مطالعهای است که بهطور کامل توسط یک تیم برزیلی و با استفاده از ابزارهای برزیلی انجام شده است.»
این کار همچنین اولین کار در سراسر جهان بود که یک الماس فوق عمیق را از ابتدا تا انتها با استفاده از روشهای نوری سینکروترون بررسی کرد. محققان به طور تصادفی یک الماس Juína را انتخاب کردند و آن را در خطوط پرتو Mogno و Carnaúba در Sirius تجزیه و تحلیل کردند، در حالی که تجهیزات جدید LNLS هنوز در حال راهاندازی بودند. این خطوط پرتو به ترتیب در سالهای ۲۰۲۳ و ۲۰۲۱ رسماً افتتاح شدند.
اشعه ایکس یک محفظه معدنی مهر و موم شده را آشکار میکند
نور سینکروترون نوعی تابش الکترومغناطیسی فوقالعاده درخشان است که وقتی الکترونها با سرعتی نزدیک به سرعت نور از میان یک شتابدهنده ذرات عبور میکنند، تولید میشود. خطوط باریکه منفرد، بخشهای انتخابشدهای از آن تابش را به سمت ابزارهایی که برای بررسی مواد استفاده میشوند، هدایت میکنند.
در خط پرتو موگنو، میکروتوموگرافی اشعه ایکس با وضوح بالا، نقشهای سهبعدی از تقریباً ۱۰۰ جزء معدنی درون الماس ایجاد کرد. سپس محققان از طیفسنجی اشعه ایکس در خط پرتو کارناوبا برای تعیین عناصر موجود در این اجزاء استفاده کردند.
یکی از این ناخالصیها به دلیل وجود هیدروکسید آهن، توجهها را به خود جلب کرد. وجود این ماده در اعماق گوشته زمین، جایی که کانیهای هیدراته نادر هستند و بیشتر سنگها واکنشهای اکسیداسیون را ترجیح نمیدهند، به ندرت انتظار میرود.
کاماردا، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه اروپایی XFEL در آلمان، توضیح میدهد: «وقتی محققان هیدروکسید آهن پیدا میکنند، معمولاً وجود این ناخالصی را نادیده میگیرند و فرض میکنند که نوعی شکستگی میکروسکوپی در الماس باعث اکسیداسیون از طریق تماس با هوا شده است. از آنجایی که توموگرافی ثابت کرد که این ناخالصی هیچ ارتباطی با خارج ندارد، تصمیم گرفتیم آن را بررسی کنیم.»
الماس فوق عمیق از Juína برای تجزیه و تحلیل در شتاب دهنده ذرات Sirius نصب شده است. اعتبار: Léo Ramos Chaves/Pesquisa FAPESP
محققان برای شناسایی هر ماده معدنی درون این محفظه بسته به خط پرتو Ema در سیریوس رفتند. پراش اشعه ایکس، گوتیت (FeOOH)، یک اکسی هیدروکسید آهن، را به همراه اکسیدهای آهن هماتیت (Fe2O3 ) و مگنتیت (Fe3O4 ) آشکار کرد .
هر سه ماده معدنی در خاکها و کف اقیانوسها رایج هستند. با این حال، وجود آنها در کنار هم در داخل یک ناخالصی میکروسکوپی و مهر و موم شده را نمیتوان با شرایط دما و فشار در سطح زمین توضیح داد.
گوتیت از شرایط بسیار سختتری جان سالم به در میبرد
تا همین اواخر، دانشمندان عموماً معتقد بودند که گوتیت نمیتواند از فرورانش جان سالم به در ببرد، فرآیندی که در آن یک صفحه تکتونیکی به زیر صفحه دیگر میرود و به سمت گوشته فرو میرود.
این فرآیند در امتداد ساحل غربی آمریکای جنوبی فعال است، جایی که پوسته اقیانوسی آرام به زیر قاره حرکت میکند. فعالیتهای آتشفشانی و تکتونیکی حاصل، رشتهکوه آند را ایجاد کرده و همچنان در حال تغییر شکل این رشتهکوه تا به امروز است.
طبق دیدگاه سنتی، دمای بالای ۲۰۰ درجه سانتیگراد در اوایل نزول، گوتیت را به سرعت به هماتیت و آب تبدیل میکند. به نظر میرسد این واکنش، گوتیت را به عنوان حاملی که قادر به رسیدن به گوشته عمیق باشد، رد میکند.
با این حال، کاماردا و همکارانش متوجه شدند که الگوی پراش اندازهگیری شده در سیریوس شباهت زیادی به نتایج آزمایش تراکم ضربهای سال ۲۰۲۱ در دانشگاه سیچوان چین دارد.
آن آزمایش نشان داد که گوتیت میتواند فشارهایی معادل ۳۵ تا ۵۷ گیگاپاسکال (GPa)، تقریباً ۵۰۰ برابر فشار در عمیقترین قسمت اقیانوس، و دمایی بین ۸۷۷ تا ۱۸۲۷ درجه سانتیگراد را تحمل کند. شرایط مشابهی در گوشته پایینی بین عمق حدود ۹۰۰ تا ۱۲۵۰ کیلومتر وجود دارد.
برخی از محققان همچنان محتاط هستند زیرا فشردهسازی شوک، شرایط را در گوشته بالایی یا پایینی به طور کامل بازتولید نمیکند. با این حال، یک مطالعه جداگانه در سال ۲۰۲۱ به رهبری دانشگاه بایرویت در آلمان نشان داد که گوتیت همچنین از گرما و فشار مشابه در داخل سلولهای سندان الماس، که گوشته را به طور دقیقتری شبیهسازی میکنند، جان سالم به در میبرد.
آزمایشهای دیگر سندان الماس، پایداری این ماده معدنی را بررسی کردهاند، اما به این نتیجه رسیدهاند که این ماده میتواند آب خود را در اعماق کمتر از دست بدهد. بنابراین، شواهد به مسیر پیچیدهتری اشاره دارند که ممکن است به دمای اطراف و محیط زمینشناسی بستگی داشته باشد.
آب ممکن است به گوشته پایینی برسد
کاماردا و همکارانش پیشنهاد میکنند که گوتیت میتواند در صورت محافظت در شکستگیهای عمیق صفحات اقیانوسی نسبتاً سرد، از فرورانش جان سالم به در ببرد. این مسیرهای محافظتشده ممکن است به آن اجازه دهند تا قبل از شروع تبدیل به هماتیت و آب یا مگنتیت، اکسیژن و آب، بیش از ۴۰۰ کیلومتر پایین برود.
این دگرگونیها میتوانند تا گوشته پایینی ادامه یابند و مسیری احتمالی برای رسیدن آب از سطح به بخشهایی از زمین فراهم کنند که پیش از این تصور میشد ظرفیت کمی برای ذخیره آن دارند.
الماس اطراف این کانیها ممکن است از کربن موجود در سنگهای گوشته یا در صفحه اقیانوسی نزولی متبلور شده باشد. کربن در گوشته نسبتاً کمیاب است، که عمدتاً از کانیهای غنی از منیزیم، آهن و سیلیکون تشکیل شده است.
یکی دیگر از اجزای موجود در همان الماس حاوی فروپریکلاز ((Mg, Fe)O)، یک کانی فراوان در گوشته پایینی، بود. وجود این ماده، شواهد بیشتری را ارائه میدهد که نشان میدهد الماس در عمق زیادی تشکیل شده است.
گرواسونی توضیح میدهد: «آزاد شدن آب، نقطه ذوب این سنگها را کاهش میدهد و به طور بالقوه مقادیر کمی ماگما تولید میکند که تمایل دارند به آرامی به سطح زمین برسند. برخی نظریهها نشان میدهند که سنگهای آتشفشانی که الماسهای بسیار عمیق را به سطح زمین میآورند، در نزدیکی منطقه گذار بین گوشته بالایی و پایینی، در عمق حدود ۴۰۰ کیلومتری، تشکیل میشوند.»
پیش از این ، کشف جداگانهای از جوینا بخش دیگری از چرخه آبهای عمیق زمین را آشکار کرده بود. در سال ۲۰۱۴، یک تیم تحقیقاتی بینالمللی در مجله نیچر گزارش داد که یک الماس جوینا حاوی رینگوودیت (Mg2SiO4 ) است ، یک ماده معدنی رایج در منطقه انتقالی که میتواند آب را در خود نگه دارد.
شواهد اکنون نشان میدهد که گوشته بالایی ممکن است حاوی مقادیر قابل توجهی آب باشد که از سطح به پایین منتقل شده است. توضیح گوشته پایینی همچنان دشوارتر است زیرا بیشتر مواد معدنی آن میتوانند آب بسیار کمی را ذخیره کنند. گوتیت حفظ شده در داخل این الماس، مکانیسم احتمالی برای حمل آن آب به اعماق بیشتر را ارائه میدهد.
بودجه این تحقیق توسط شورای ملی توسعه علمی و فناوری (CNPq)، وابسته به وزارت علوم، فناوری و نوآوری برزیل؛ مؤسسه ملی علوم و فناوری مطالعات تکتونیکی؛ مؤسسه Serrapilheira؛ و برنامه زنان در پژوهش در دانشگاه مونستر در آلمان تأمین شده است.
