زمین دارای یک ذخیره مخفی آب به شکل بلورهای بسیار آب‌دار است
یک رس رایج در پوسته اقیانوسی به نام تالک، به تازگی روشی نوین برای انتقال آب به اعماق زیرزمینی نشان داد. در آزمایش‌های آزمایشگاهی با کنترل دقیق، تالک به بلوری بسیار آب‌دار تبدیل شد که حدود ۳۱ درصد وزن خود را به‌صورت آب ذخیره می‌کند.
این فاز در عمقی حدود ۵۶ تا ۵۹ مایل ظاهر می‌شود و تا حدود ۷۸ مایل در مناطق ساب‌داکشن سرد ادامه می‌یابد. این پژوهش توسط تیمی مشترک از آزمایشگاه‌های کره‌جنوبی، آلمان و ایالات متحده انجام شده است.
در آب شور و کمی قلیایی، تالک آب اضافی را جذب کرد و حجمی حدود ۶۰ درصد افزایش یافت، طبق یک مطالعهٔ تازه. ساختار جدید این بلور آب را بین لایه‌های خود محبوس کرد و مقدار کل آب در آن را به حدود ۳۱ درصد ارتقا داد.
کار توسط دکتر یوناه بانگ از دانشگاه یونسی رهبری شد. تحقیقات او بر واکنش‌های معدنی تحت فشار بالا که آب را به درون زمین منتقل می‌کنند متمرکز است.
آب، تالک و آنگستروم
آنگستروم که برابر با یک ده‌میلیارمتر است، برای اندازه‌گیری فواصل در مقیاس اتمی داخل بلورها به کار می‌رود. وقتی دانشمندان یک فاز آنگسترومی را توصیف می‌کنند، به مرحله‌ای از یک ماده معدنی اشاره دارند که توسط فاصلهٔ بین لایه‌های اتمی‌اش تعریف می‌شود.
عدد آنگستروم بزرگ‌تر نشان می‌دهد که این لایه‌ها فاصلهٔ بیشتری از یکدیگر دارند، که غالباً به دلیل ورود آب یا مولکول‌های دیگر به فضاهای خالی بین آن‌هاست.
فاز ۱۵ آنگستروم از حدود ۵۶ تا ۷۸ مایل پایدار ماند، سپس به فاز شناخته‌شدهٔ ۱۰ آنگستروم در نزدیکی ۱۰۳ مایل تغییر یافت. پس از این تغییر، فاز ۱۰ آنگستروم تا حدود ۱۱۲ مایل ثابت باقی ماند.
«کار ما بنابراین نشان می‌دهد که تبدیل معدنی در محیط‌های ساب‌داکشن واقعی‌تر اتفاق می‌افتد؛ که مستلزم بازنگری در ژئوشیمی و زلزله‌شناسی مرتبط با ساب‌داکشن و همچنین انتقال آب به عمق زمین است»، بانگ گفت.
چگونه یک رس به اسفنج تبدیل می‌شود
لایه میانی، فضای نازکی که بین برگ‌ها قرار دارد، با مولکول‌های آب پر می‌شود که به گروه‌های هیدروکسیل در بلور پیوند می‌خورند. تیم پژوهش یک لایهٔ تک‌آب در فاز ۱۰ آنگستروم و سه لایهٔ آب در فاز ۱۵ آنگستروم مشاهده کرد.
آزمایش‌های پیشین تحت فشارهای بالا نشان دادند که تالک و آب فاز ۱۰ آنگستروم را در حدود ۵ تا ۷ گیگاپاسکال (تقریباً یک میلیارد پاسکال) تشکیل می‌دهند. این آزمایش‌ها همچنین به دمای حدود ۴۵۰ تا ۶۵۰ درجهٔ سلسیوس نیاز داشتند.
در این مطالعه، دانشمندان مایعات قلیایی، کمی پایه‌ای و شور را که مشابه آب‌های اسلّاب نزدیک به چاله هستند، آزمایش کردند. تحت این شرایط، تالک به فاز ۱۵ آنگستروم در فشار و دمای بسیار کمتر تبدیل شد.
محل و زمان شکل‌گیری فاز
تیم پژوهش تالک پودر را در یک سلول الماس‌پیکان (diamond anvil cell) قرار داد؛ دستگاهی که نمونه‌های کوچک را به فشارهای افراطی می‌فشارد. سپس تغییرات بلور را با استفاده از یک سینکروترون، منبع اشعه X با شدت بالا، پیگیری کردند.
اشعاع‌های ایکس نشان داد که ساختار بلور توسعه‌یافته در عمق زیرزمینی ظاهر می‌شود، تحت فشارهایی که تقریباً در عمق ۶۰ مایل زیر سطح زمین وجود دارد و در دمای حدود ۶۶۲ درجهٔ فارنهایت.
این فشار با شرایط سنگ در نزدیکی ۵۶ مایل در یک اسلّاب سرد، بر پایهٔ مدل‌های حرارتی جهانی، هم‌راستا است.
در آب خالص یا تنها نمک، تالک مرحلهٔ ۱۵ آنگستروم را نادیده گرفته و مستقیماً به فاز ۱۰ آنگستروم تبدیل شد. این نتایج کنترل نشانه می‌دهد که ترکیب نمک و قلیائیت ملایم عامل تحریک جذب آب اضافی است.
تغییرات در بودجه آب عمیق
فاز ۱۵ آنگستروم نسبت به تالک معمولی مقدار بسیار بیشتری آب را ذخیره می‌کند؛ به‌طور تقریباً هشت برابر آب پیوندی در ساختار را دارد.
هنگامی که این فاز به ۱۰ آنگستروم در نزدیکی ۱۰۳ مایل کاهش می‌یابد، تقریباً دو‑سوم آب محبوس شده را به سنگ‌های اطراف رها می‌کند.
این ذخیرهٔ اضافی به این معناست که درصد بیشتری از آب سطحی می‌تواند داخل کانی‌های هیدروژنی که آب را در شبکهٔ بلوری خود نگه می‌دارند، کشیده شود. همچنین به این معنی است که نوبتی جدید از آب می‌تواند عمیق‌تر از حد انتظار آزاد شود.
آب در عمق نقطه ذوب سنگ‌ها را پایین می‌آورد و گسل‌ها را ضعیف می‌کند. این تأثیرات می‌توانند تامین ماگما و نوع زلزله‌های ثبت‌شده را شکل دهند.
آموخته‌ها از تالک و آب زمین
آب آزادشده از صفحه فرو رفته به تولید ماگمایی که کمان‌کوه‌ها را تغذیه می‌کند، کمک می‌کند؛ طبق بررسی سازمان ژئولوژی ایالات متحده (USGS). آزادسازی عمیق‌تر آب از تالک در حال کوچ شدن می‌تواند مکان شروع ذوب را جابجا کند.
در یک مثال از اسلّاب سرد، تیم عمق منبع معمولی حدود ۹۷ مایل را یافت که با مرز آزمایشگاهی آن‌ها برای فاز ۱۰ آنگستروم منطبق بود. این تطابق نشان می‌دهد که تبدیل از فاز ۱۵ آنگستروم به ۱۰ آنگستروم می‌تواند در تعیین مکان‌های کمان‌کوه‌ها مؤثر باشد.
تعداد زلزله‌ها در همان منطقه بین حدود ۴۷ تا ۷۸ مایل کاهش یافت، سپس بین حدود ۹۳ تا ۱۲۴ مایل افزایش یافت. این باندها با رشد فاز ۱۵ آنگستروم و سپس تخلیه آب آن هماهنگ هستند؛ نویسندگان این الگو را می‌گویند که نیاز به آزمایش‌های بیشتری دارد.
زمین‌شناسان میدانی می‌توانند در سنگ‌های با فشار بالا و کهن به دنبال فاصلهٔ ۱۵ آنگستروم و رفتار تورمی شبیه اسمتیت بگردند. ژئوفیزیک‌دانان نیز می‌توانند برای پیدا کردن ویژگی‌های هدایت یا اثرات لرزه‌ای آب اضافی در همان عمق تحقیق کنند.
مدل‌های آینده باید شیمی سیالات را نیز پیگیری کنند، نه صرفاً فشار و دما. با سیالات مناسب، تالک می‌تواند نقش بزرگ‌تری در چرخهٔ آب عمیق زمین نسبت به آنچه پیش از این تصور می‌شد، ایفا کند.
این مطالعه در Nature Communications منتشر شده است.
—–