دو تودهٔ عجیب و غول‌پیکر در اعماق زمین شاید سرانجام توضیح داده شوند
یکی از اسرار عجیب‌ترین زمین ما حضور دو تودهٔ چگال و عظیم است که به‌طور شگفت‌انگیزی در بالای هستهٔ سیاره متمرکز شده‌اند.
اکنون، مدل‌های جدید ممکن است نشان دهند که این توده‌ها از کجا آمده‌اند و این ریشه در هیچ‌یک از روایت‌های معمول نیست. بلکه، گویی موادی از هسته‌ای که در زمان تشکیل زمین به‌صورت نشت‌کننده بود، به‌صورت ریزاب خروجی پیدا کرده و با مانته ترکیب شده‌اند تا «مناطق بزرگ با سرعت برش کم» (LLSVPها) که امروز می‌بینیم، را شکل دهند.
« این‌ها ناهنجاری‌های تصادفی نیستند»، می‌گوید ژئودینامیک‌دان یوشینوری میازاکی از دانشگاه راتگرز. « این‌ها اثر انگشت‌های تاریخ اولیهٔ زمین هستند. اگر بتوانیم بفهمیم چرا وجود دارند، می‌توانیم بفهمیم که چگونه سیاره‌مان شکل گرفته و چرا قابل سکونت شد.»
مرتبط: هسته داخلی زمین به‌طرز مرموزی شکل خود را تغییر می‌دهد، مطالعه‌ای نشان می‌دهد
دو LLSVP در دههٔ ۱۹۸۰ در داده‌های لرزه‌ای جمع‌آوری‌شده از زلزله‌ها کشف شدند. این داده‌ها حضور دو ناحیهٔ بزرگ در لایهٔ پایین‌ترین مانتهٔ زمین را نشان دادند؛ یکی زیر آفریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام. این نواحی از مرز هسته‑مانته که در حدود ۲٬۹۰۰ کیلومتر (حدود ۱٬۸۰۰ مایل) زیر سطح زمین قرار دارد، به سمت بالا امتداد می‌یابند.
از طریق این نواحی، امواج لرزه‌ای با سرعتی متمایز و کند عبور می‌کنند که نشانگر ترکیب متفاوتی نسبت به مواد اطراف است.
دانشمندان پیش‌تر تبیین‌های متعددی را پیشنهاد کرده‌اند، از جمله بقایای اسلّاب‌های تکاملی قدیمی، اقیانوس مگمایی خنک‌شده، یا قطعاتی از یک جسم عظیم به نام «ثیایا» که زمانی با زمین برخورد کرده و ماه را شکل داد.
این توده‌ها صرفاً یک کنجکاوی 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 مؤثر بوده‌اند.
ماهیت این توده‌ها و چگونگی حضور آن‌ها ممکن است با مسیر تکامل سیاره‌مان و رفتار کنونی‌اش مرتبط باشد؛ گزینه‌های مختلف به معانی متفاوتی برای این تکامل و رفتار اشاره دارند.
تحقیقی اخیر نشان داد که این توده‌ها بسیار کهن و پایدار هستند، که با نظریهٔ اقیانوس مگمایی سازگار است.
طبق این نظریه، زمین یک گوی مذاب و نرم بود که پس از شکل‌گیری توسط یک اقیانوس مگمایی احاطه شده بود. همان‌طور که این اقیانوس سرد شد، جداسازی رخ داد و مواد سنگین‌تر از آن جدا شده و به سمت پایین سقوط کردند.
این نظریه با حضور ساختار دیگری — نواحی نازک در مرز هسته‑مانته که به نام «نواحی سرعت فوق‌العاده کم» (ULVZها) شناخته می‌شوند — که هم‌پوشانی دارند با لبه‌های LLSVPها، پشتیبانی می‌شود؛ در این نواحی، امواج لرزه‌ای تا یک درجهٔ بزرگی نسبت به LLSVPها، به‌صورت بسیار کندتر حرکت می‌کنند.
برای اینکه نظریهٔ اقیانوس مگمایی درست باشد، زمین باید لایه‌های واضح و به‌خوبی تعریف‌شده‌ای شبیه به یک کیک داشته باشد؛ لایه‌ای بالای مرز هسته‑مانته که حاوی مقدار قابل‌توجهی فروپریکلز باشد. اما داده‌های لرزه‌ای محتوای فروپریکلز را به‌مراتب کمتر نشان می‌دهند، در حالی که وجود و ترکیب به‌هم‌ریختۀ LLSVPها و ULVZها این مدل را زیر سؤال می‌برد.
« این تناقض نقطهٔ شروع بود »، میازاکی توضیح می‌دهد. « اگر از نظریهٔ اقیانوس مگمایی شروع کنیم و محاسبات را انجام دهیم، به آن‌چه امروز در مانتهٔ زمین می‌بینیم نمی‌رسیم. چیزی کم بود.»
بنابراین پژوهشگران مدلسازی کردند تا بفهمند چه چیزی کم است. آن‌ها ترکیبات اساسی زمین را مخلوط کردند و شبیه‌سازی کردند که چگونه سرد می‌شوند، با و بدون نشت ماده‌ای از هستهٔ سیاره. این کار منجر به کشف ترکیب مخفی شد.
هر عنصر به یک‌سرعت سرد و بلورین نمی‌شود. همان‌طور که هسته سرد می‌شود و تحت فشار کوچک می‌شود، بر پایه مدل‌ها، ترکیبات سبک‌تری نظیر اکسید منیزیم (MgO) و دی‌اکسید سیلیکون (SiO2) نسبت به آهن به‌راحتی بلور می‌گیرند. این ترکیبات به سمت بالا حرکت می‌کنند و از مرز هسته‑مانته به اقیانوس مگمایی فشار می‌آورند، جایی که حل می‌شوند.
از اینجا، این مادهٔ افزوده ترکیب شیمیایی مگما را به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که تشکیل بریجمانیت غنی از سیلیکات و سیفرتایت را تسهیل می‌کند؛ این ترکیبات غالب لایهٔ زیرین می‌شوند، در حالی که سطوح فروپریکلز پایین می‌مانند.
حتی در عمق سیاره، جایی که دما و فشار به مقادیر افراطی می‌رسد، این ساختارها می‌توانند طی ۴٫۵ میلیارد سال حیات زمین پابرجا بمانند و به‌تدریج توسط همرفت‌های سنگین به‌هم پیوستند تا ساختارهای انباشته‌ای که امروز دانشمندان از طریق داده‌های لرزه‌ای شناسایی می‌کنند، شکل بگیرند.
این به‌نوعی شگفت‌انگیز است و نظریهٔ اقیانوس مگمایی را باز به‌عنوان توضیح محتملی برای این توده‌های بزرگ و چگال که در اعماق زیر سطح زمین دفن شده‌اند، می‌آورد.
اگر LLSVPها و ULVZها در شکل‌گیری صفحات تکتونیکی که برای قابلیت سکونت‌پذیری زمین حیاتی‌اند، نقش داشته باشند، ممکن است نکات بیشتری دربارهٔ چگونگی تکامل سیارات دیگر به‌دست آوریم.
« حتی با سرنخ‌های اندک، ما در حال ساختن داستانی منطقی هستیم »، میازاکی می‌گوید. « این مطالعه به ما اطمینان بیشتری دربارهٔ تکامل زمین و دلیل خاص بودن آن می‌دهد.»
این پژوهش در مجله Nature Geoscience منتشر شده است.