دو تودهٔ غول‌پیکر و عجیب در عمق زمین ممکن است سرانجام توضیح داده شوند
یکی از عجیب‌ترین معماهای زمین ما، حضور دو تودهٔ متراکم و غول‌پیکر است که به‌طرزی نامفهوم، بر بالای هستهٔ سیاره متمرکز شده‌اند.
اکنون، مدل‌های جدید ممکن است نشان دهند که این توده‌ها از کجا آمده‌اند و این منبع، هیچ‌یک از داستان‌های معمولاً مطرح‌شده را پوشش نمی‌دهد. در عوض، ممکن است مواد خاصی از هستهٔ در حال نشت در زمان شکل‌گیری نخستین زمین، چندین میلیارد سال پیش، رها شده و با گوشته مخلوط شده باشند تا آنچه امروز به‌عنوان «منطقه‌های سرعت برش کم بزرگ» (LLSVPs) شناخته می‌شود، ایجاد شود.
«این‌ها ناهنجاری‌های تصادفی نیستند»، می‌گوید ژئودینامیک‌دان یوشینوری میازاکی از دانشگاه راتگرز. «آن‌ها اثر انگشت‌های تاریخ نخستین زمین هستند. اگر بتوانیم دلیل وجودشان را درک کنیم، می‌توانیم چگونگی شکل‌گیری سیاره‌مان و دلیل قابل‌سکونت شدن آن را بفهمیم.»
دو LLSVP در دههٔ ۱۹۸۰ در داده‌های لرزه‌ای جمع‌آوری‌شده از زلزله‌ها کشف شدند. این داده‌ها وجود دو ناحیهٔ بزرگ در گوشتهٔ زیرین زمین را نشان دادند؛ یکی زیر قارهٔ آفریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام. این نواحی از مرز هسته‑گوشته که در حدود ۲۹۰۰ کیلومتر (حدود ۱۸۰۰ مایل) زیر سطح زمین قرار دارد، به سمت بالا امتداد می‌یابند.
از طریق این نواحی، امواج لرزه‌ای با کندی خاصی حرکت می‌کنند که نشانگر ترکیبی متفاوت از مواد اطراف است.
پیشتر، دانشمندان توضیحات متنوعی پیشنهاد داده‌اند، از جمله بقایای صفیحات تکتونی کهنه، اقیانوس ماگما در حال سرد شدن، یا قطعات یک جسم عظیم به نام «تئیا» که زمانی با زمین برخورد کرده و ماه را شکل داده است.
این توده‌ها صرفاً یک کنجکاوی نیستند. تودهٔ آفریقایی به‌ویژه در تضعیف میدان مغناطیسی زمین در اقیانوس اطلس نقش داشته است. برخی دانشمندان بر این باورند که این توده‌ها در شکل‌گیری صفحات تکتونی زمین مؤثر بوده‌اند.
ماهیت این توده‌ها و چگونگی پیدایششان ممکن است به روند تکامل سیارهٔ ما و رفتار کنونی آن مرتبط باشد؛ به‌گونه‌ای که هر‌یک از این احتمالات معانی متفاوتی برای آن تکامل و رفتار دارد.
مطالعه‌ای اخیر نشان داد که این توده‌ها بسیار قدیمی و ثابت هستند، که با نظریهٔ اقیانوس ماگما سازگار است.
بر اساس این نظریه، پس از شکل‌گیری، زمین به‌عنوان یک گرهٔ مذاب و نرم، توسط اقیانوس ماگما احاطه شده بود. هنگامی که این اقیانوس سرد شد، تمایز یافته؛ به‌طوری که مواد سنگین‌تر از هم جدا شدند و به سمت عمق سر رفتند.
این موضوع با حضور ساختار دیگری نیز تأیید می‌شود؛ یعنی نواحی نازک در مرز هسته‑گوشته که به‌نام «نواحی سرعت فوق‌کم» (ULVZs) شناخته می‌شوند و با حاشیه‌های LLSVPها هم‌پوشانی دارند، جایی که امواج لرزه‌ای تا یک درجه سرعت کمتر از نواحی سرعت برش کم بزرگ حرکت می‌کنند.
برای صحیح بودن نظریهٔ اقیانوس ماگما، زمین باید لایه‌های منظم و به‌وضوح تعریف‌شده‌ای داشته باشد، مشابه یک کیک؛ به‌طوری که لایه‌ای بالای مرز هسته‑گوشته شامل مقدار مناسبی فئروپریکلاس باشد. با این حال، داده‌های لرزه‌ای نشان می‌دهند که میزان فئروپریکلاس بسیار کمتر است، و همان‌طور که حضور و پیکربندی به‌هم‌ریختهٔ LLSVPها و ULVZها نشان می‌دهد، این مدل را زیر سؤال می‌برد.
«این تضاد نقطهٔ شروع بود»، میازاکی توضیح می‌دهد. «اگر از نظریهٔ اقیانوس ماگما آغاز کنیم و محاسبات را انجام دهیم، به نتایجی که امروز در گوشتهٔ زمین می‌بینیم نمی‌رسیم. چیزی کم بود.»
بدین‌منزل، پژوهشگران مدلسازی انجام دادند تا کمبود را شناسایی کنند. ترکیبات پایهٔ زمین را ترکیب کردند و شبیه‌سازی کردند که چگونه هنگام سرد شدن، با یا بدون ماده‌ای که از هستهٔ سیاره نشت می‌کند، رفتار می‌کند. این کار مادهٔ مخفی را آشکار کرد.
همه عناصر به‌یک‌سان سرد نمی‌شوند و بلور نمی‌نمایند. طبق مدل‌ها، هنگام سرد شدن و فشرده شدن هسته، ترکیبات سبک‌تری مانند اکسید منیزیم و دی‌اکسید سیلیکون نسبت به آهن به‌سرعت بیشتری بلور می‌سازند. این ترکیبات به سمت بالا می‌چسبند و از مرز هسته‑گوشته به اقیانوس ماگما رفته، در آنجا حل می‌شوند.
از اینجا، این مادهٔ افزودنی ترکیب شیمیایی ماگما را به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که تشکیل بریجمانیت و سیفرتیت غنی از سیلیکات را تشویق می‌کند؛ این ترکیبات سپس لایهٔ پایینی را به‌دست می‌گیرند در حالی که میزان فئروپریکلاس به‌طور قابل‌توجهی کم می‌ماند.
حتی در عمق سیاره، جایی که دما و فشار به‌سختی‌های افراطی می‌رسند، این ساختارها می‌توانند در طول ۴٫۵ میلیارد سال عمر زمین پابرجا بمانند؛ به‌تدریج توسط جابجایی‌های همرفتی به‌هم پیوسته می‌شوند و ساختارهای انباشته‌ای که امروز دانشمندان از داده‌های لرزه‌ای شناسایی می‌کنند، شکل می‌گیرد.
این مسأله تقریباً شگفت‌انگیز است و نظریهٔ اقیانوس ماگما را به‌عنوان یک توضیح محتمل برای این توده‌های بزرگ و متراکم که عمیق زیر سطح زمین دفن شده‌اند، دوباره مطرح می‌کند.
و اگر LLSVPها و ULVZها در تشکیل صفحه‌های تکتونی که برای قابلیت سکونت زمین حیاتی‌اند، نقش داشته‌اند، این می‌تواند درک ما را از چگونگی تکامل متفاوت سایر سیارات گسترش دهد.
«با وجود سرنخ‌های اندک، ما در حال ساختن داستانی معنادار هستیم»، میازاکی می‌گوید. «این مطالعه کمی اطمینان بیشتری دربارهٔ تکامل زمین و دلیل ویژه بودن آن به ما می‌دهد.»
پژوهش در مجله Nature Geoscience منتشر شده است.