قلب زمین اولیه، آب خود را حفظ کرد

کانی عمیق مانتل بریجمانایت در دماهای بالا، آب را به‌خوبی به‌دام می‌اندازد

آب زمین اولیه عمدتاً از طریق اثرات بی‌وقفهٔ شهاب‌سنگ‌های غنی از آب و دنباله‌دارهای یخی به‌دست آمد. اما اکنون دانشمندان می‌گویند که این سیارهٔ جوان راهی برای نگه‌داری مقدار بسیار بیشتری از این آب داشته است؛ سنگ‌های عمیق در دل زمین ممکن است تا صد برابر آب بیشتر نسبت به برآوردهای پیشین در خود داشته باشند، پژوهشگران در تاریخ ۱۱ دسامبر در مجله Science گزارش دادند. این مقدار می‌تواند معادل یک اقیانوس کامل آب باشد که پیشِ از این در سنگ‌های باستانی مانتل ذخیره شده بود.

با استفاده از آزمایش‌های آزمایشگاهی که شرایط شدید مانتل عمیق زمین را بازآفرینی می‌کرد، شیمیدان زمین‌شناس Wenhua Lu از آکادمی علوم چین در گوانگژو و همکارانش بررسی کردند که بریجمانایت، یکی از اولین کانی‌های زمین، چقدر می‌تواند آب در خود نگه دارد. با افزایش حرارت، بریجمانایت توانست آب را به‌تدریج بیشتر در ساختار بلوری خود جای دهد.

«یافته‌ها … قطعه‌ای اساسی دیگر به پازل پیچیده و چندوجهی می‌افزایند»، می‌نویسد پتروژئیست Michael Walter از Carnegie Science در واشنگتن، دی.سی. در یک تفسیر پیوست در Science. او می‌گوید که درک نحوهٔ جذب آب به این کانی‌های بسیار باستانی، سرنخ‌های جدیدی دربارهٔ ریشه‌های اولیهٔ چرخهٔ آب زمین ارائه می‌دهد؛ کلیدی برای قابلیت سکونت سیارهٔ ما.

قبل از این که سطح زمین دو‑سوم آن را اقیانوس تشکیل دهد، آب به وفور در سنگ‌های عمیق مانتل زیرین قفل شده بود. حدود ۴٫۴ میلیارد سال پیش — در دورهٔ اولیهٔ زمین که به عصر هادئیک معروف است — مانتل شروع به شکل‌گیری کرد، همان‌گونه که اقیانوس ماگمایی که سیاره را می‌پوشاند به‌تدریج سرد شد و به سنگ تبدیل شد.

بریجمانایت نخستین و پر فراوان‌ترین کانی تشکیل شده بود؛ امروز حدود ۶۰ درصد مانتل را تشکیل می‌دهد. این کانی در شرایط حرارت و فشار شدید — همانند داخل سیاره — شکل می‌گیرد. در عمیق‌ترین بخش‌های مانتل که تا ۲٬۸۹۰ کیلومتر زیر سطح ادامه دارد، دما می‌تواند بالاتر از ۴٬۰۰۰ °C و فشار تا ۷۰۰٬۰۰۰ اتمسفر باشد.

با سرد شدن اقیانوس ماگما، بخشی از مولکول‌های آب که در سنگ مذاب حل شده بودند، به بریجمانایت تازه‌تشکل یافته منتقل شد و در ساختار بلوری این کانی به‌خوبی مخفی شد. این فرآیند همچنان امروز نیز ادامه دارد: آب همراه با صفحات تکتونیکی زیرزمینی به عمق زمین منتقل می‌شود. برای مدتی در کانی‌هایی مانند بریجمانایت به‌قفل می‌ماند و در نهایت از طریق فوران‌های آتشفشانی به سطح بازمی‌گردد.

اما در اعماق زمین در روزهای اولیهٔ آن چه مقدار آب وجود داشت؟ پاسخ عمدتاً به این بستگی دارد که کریستال‌های بریجمانایت تحت این شرایط حرارت و فشار شدید، چه مقدار آب می‌توانستند در خود نگه دارند. بنابراین، لو و همکارانش سعی کردند شرایط شدید لایهٔ زیرین مانتل را با استفاده از آتل الماس گرم‌شده با لیزر بازآفرینی کنند. این ابزار نمونهٔ سنگی را بین دو الماس فشار می‌دهد تا فشارهای شدید ایجاد شود و سپس با لیزرهای متمرکز نمونه را می‌سوزاند.

نتایج نشان دادند که با افزایش حرارت، ظرفیت بریجمانایت برای نگهداری آب افزایش می‌یابد — که به‌نوبهٔ خود نشان می‌دهد بخش پایین‌ترین مانتل نسبت به بخش بالایی که کمی خنک‌تر است، آب بیشتری داشته است. برآوردهای پیشین بر این باور بودند که بریجمانایت تقریباً خشک است و کمتر از ۲۲۰ قسمت در میلیون آب به‌ازای وزن دارد؛ اما مطالعهٔ جدید نشان می‌دهد که یک مخزن عمیق قابل توجهی از آب وجود دارد. به گفتهٔ پژوهشگران، با گذشت زمان، هم‌دست‌یابی صفحات تکتونیکی و فوران صعودی ستون‌های مانتل به توزیع مجدد آب کمک کرد و مقدار زیادی از آن را به سطح منتقل کرد. اما بخشی از آن آب اولیه ممکن است هنوز در عمق باقی مانده باشد.