دو توده عجیب و غول‌پیکر در عمق زمین ممکن است سرانجام توضیح داده شوند
یکی از عجیب‌ترین رازهای زمین، وجود دو تودهٔ چگال و غول‌پیکر است که به‌طرز غیرقابل توضیحی در بالای هستهٔ سیاره تجمع یافته‌اند.
اکنون، مدل‌های تازه ممکن است منبع این توده‌ها را آشکار کنند و این منبع با داستان‌های متعارف متفاوت است؛ بلکه، برخی مواد ممکن است از یک هستهٔ نشت‌کننده هنگام شکل‌گیری اولیهٔ زمین، هزاران سال پیش، بیرون رها شده و با هم‌پوسته ترکیب شده تا آنچه امروز به‌عنوان مناطق بزرگ سرعت برش پایین (LLSVP) می‌شناسیم، ایجاد کنند.
«این‌ها موارد تصادفی نیستند»، ژئودینامیکیست یوشینوری میازاکی از دانشگاه روتگرز می‌گوید. «آن‌ها ردپای تاریخ اولیهٔ زمین هستند. اگر بتوانیم بفهمیم چرا این توده‌ها وجود دارند، می‌توانیم چگونگی شکل‌گیری سیاره‌مان و دلیل قابل سکونت شدن آن را درک کنیم.»
دو LLSVP در دههٔ ۱۹۸۰ از طریق داده‌های لرزه‌ای به‌دست‌آمده از زمین‌لرزه‌ها کشف شدند. این داده‌ها وجود دو منطقهٔ بزرگ در پایین‌ترین لایهٔ هم‌پوستهٔ زمین را نشان دادند؛ یکی زیر آفریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام. این مناطق از مرز هسته‑هم‌پوسته که در حدود ۲۹۰۰ کیلومتر (حدود ۱۸۰۰ مایل) زیر سطح زمین قرار دارد، به سمت بالا گسترش می‌یابند.
در این نواحی، امواج لرزه‌ای با سرعت ویژه‌ای که کندتر است، عبور می‌کنند؛ این نشان‌دهنده ترکیب متفاوتی نسبت به مواد اطراف است.
پیشتر، دانشمندان توضیحات متنوعی ارائه داده‌اند؛ از جمله باقی‌مانده‌های اسلایدرهای تکتونی قدیمی، یک اقیانوس ماگما سردشونده، یا تکه‌های یک جسم غول‌پیکر به نام «تیهیا» که پیش از این به زمین برخورد کرده و ماه را شکل داده است.
این توده‌ها تنها یک نکتهٔ جالب نیستند. به‌ویژه تودهٔ آفریقایی در تضعیف میدان مغناطیسی زمین در اقیانوس اطلس نقش داشته است. برخی دانشمندان معتقدند این توده‌ها در شکل‌گیری صفحات تکتونیکی زمین نقش داشته‌اند.
ماهیتی که دارند و چگونگی پیدایششان ممکن است به نحوهٔ تکامل سیارهٔ ما و رفتار کنونی‌اش پیوند داشته باشد؛ گزینه‌های مختلف به معنای پیامدهای متفاوتی برای این تکامل و رفتار هستند.
یک مطالعهٔ اخیر دریافت که این توده‌ها بسیار قدیمی و پایدار هستند، که با نظریهٔ اقیانوس ماگما سازگار است.
بر اساس این نظریه، پس از شکل‌گیری، زمین یک کرهٔ مذاب و نرم بود که توسط یک اقیانوس ماگما پوشانده شده بود. با سرد شدن این اقیانوس، جداسازی رخ داد؛ مواد سنگین‌تر جدا شده و به عمق فرو رفتند.
این موضوع توسط حضور ساختاری دیگر – نواحی نازک در مرز هسته‑هم‌پوسته که به عنوان مناطق فوق‌کم‌سرعت (ULVZ) شناخته می‌شوند – پشتیبانی می‌شود؛ این نواحی با لبه‌های LLSVP هم‌آهنگی دارند و امواج لرزه‌ای در آن‌ها تا یک میزان ده‌برابر کندتر از مناطق وسیع سرعت برش پایین حرکت می‌کنند.
اگر نظریهٔ اقیانوس ماگما درست باشد، زمین باید لایه‌های مرتب، واضح و با تعاریف دقیق داشته باشد، همانند لایه‌های یک کیک، به‌طوری‌که لایه‌ای بالای مرز هسته‑هم‌پوسته شامل مقدار قابل قبولی فروپرکلز باشد. اما داده‌های لرزه‌ای نشان می‌دهند محتوای فروپرکلز بسیار کمتر است و وجود و پیکربندی نامنظم LLSVPها و ULVZها این مدل را مورد تناقض قرار می‌دهند.
«این تناقض نقطهٔ شروع بود»، میازاکی توضیح می‌دهد. «اگر از اقیانوس ماگما شروع کنیم و محاسبه‌ها را انجام دهیم، به آن‌چیزی که امروز در هم‌پوستهٔ زمین می‌بینیم نمی‌رسیم. چیزی کم بود.»
بنابراین پژوهشگران مدلسازی انجام دادند تا کمبود را شناسایی کنند. آن‌ها مواد پایهٔ زمین را ترکیب کردند و شبیه‌سازی کردند که چگونه سرد می‌شوند، با و بدون نشت ماده‌ای از هستهٔ سیاره. این کار مادهٔ مخفی را آشکار کرد.
هر عنصر به یک سرعت سرد و بلورین نمی‌شود. بر اساس مدل‌ها، در حین سرد شدن و فشرده شدن هسته تحت فشار، ترکیبات سبک‌تری مانند اکسید منیزیم و دی‌اکسید سیلیکون نسبت به آهن به‌سرعت بیشتری بلورین می‌شوند. این ترکیبات به سمت بالا می‌کشند و از مرز هسته‑هم‌پوسته به اقیانوس ماگما فشار داده می‌شوند، جایی که در آن حل می‌شوند.
از این‌جا، این ماده افزوده ترکیب شیمیایی ماگما را به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که تشکیل بریجمانیت غنی از سیلیکات و سيفرتیت را تشویق می‌کند؛ این مواد سپس لایهٔ پایین را در حاکم می‌سازند در حالی که سطح فروپرکلز پایین می‌ماند.
حتی در عمق سیاره، جایی که دما و فشار به مقادیر افراطی می‌رسد، این ساختارها می‌توانند طی ۴٫۵ میلیارد سال عمر زمین پابرجا بمانند و به‌تدریج توسط جابجایی کونواکتیو به تجمعی تبدیل شوند که امروز دانشمندان از طریق داده‌های لرزه‌ای تشخیص می‌دهند.
این تقریباً شگفت‌انگیز است و اقیانوس ماگما را دوباره به‌عنوان یک توضیح محتمل برای این توده‌های بزرگ و چگال که عمیق زیر سطح زمین دفن شده‌اند، باز می‌گرداند.
اگر LLSVPها و ULVZها در شکل‌گیری صفحات تکتونیکی که برای قابلیت سکونت‌پذیری زمین حیاتی هستند، نقش داشته باشند، می‌تواند نکته‌ای بیشتر دربارهٔ چگونگی تکامل متفاوت سیارات دیگر به ما بدهد.
«حتی با سرنخ‌های بسیار کم، ما در حال ساختن داستانی منطقی هستیم»، میازاکی می‌گوید. «این مطالعه کمی اطمینان بیشتر دربارهٔ چگونگی تکامل زمین و دلیل خاص بودن آن به ما می‌دهد.»
The research has been published in Nature Geoscience.