کشف ذخیره پنهان آب در ۳۰۰۰ کیلومتری زیر زمین

ایسنا: دانشمندان می‌گویند زمین احتمالا ذخیره‌ای پنهان از آب را در عمق ۱۸۰۰ مایلی (حدود ۲۹۰۰ کیلومتری) زیر سطح خود جای داده است.

 عبارت «آب یعنی زندگی» حقیقت دارد؛ چرا که آب، حیاتِ شناخته‌شده بر روی زمین را ممکن می‌سازد.

آب همچنین نقشی کلیدی در روان‌سازی حرکتِ بسیار کندِ لایه گوشته زمین ایفا می‌کند و با مرطوب نگه داشتن لایه‌های سنگی، امکان لغزش و حرکت نرم آنها بر روی یکدیگر را فراهم می‌آورد.

این فرآیند برای چرخه تکتونیکی (زمین‌ساختی) اهمیت حیاتی دارد؛ چرخه‌ای که به نوبه خود به تنظیم اقلیم در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناختی کمک می‌کند. وجود این آب همچنین امکان بازچرخانی مهم سنگ‌ها و ترکیبات فرار را در سراسر گوشته فراهم می‌سازد.

آلفرد ویلسون(Alfred Wilson)، زمین‌شناس دانشگاه لیدز در بریتانیا در یادداشتی که همراه با مطالعه‌ای جدید درباره آب‌های درونی زمین منتشر شده می‌نویسد: آب مایع، مؤلفه اصلی قابلیت سکونت در زمین است.

این آب چگونه به گوشته راه یافته است؟

یک مدل پیشنهادی حاکی از آن است که سیارک‌ها آب را به زمین آورده‌اند و این آب هم‌زمان با شکل‌گیری سیاره، در ساختار آن حفظ شده است. یا شاید هم آب در مراحل بعدی به زمین رسیده و گوشته‌ای را که پیش‌تر خشک بوده، مرطوب کرده است.

محل دقیق این آب در لایه گوشته که هزاران کسلومتر در اعماق درونی سیاره امتداد دارد، پیش از این به درستی شناخته نشده بود.

یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که این آب احتمالاً در نزدیکی مرز میان گوشته و هسته بیرونیِ مایع قرار دارد؛ یعنی همان‌جایی که آزمایش‌های لرزه‌نگاری، وجود «مناطق با سرعت بسیار پایین»(ultralow velocity zones) را آشکار کرده‌اند.

گوشته زیرین زمین از عمق حدود ۶۶۰ تا ۲۹۰۰ کیلومتری زیر سطح زمین امتداد دارد. تصور می‌شود که فراوان‌ترین کانی‌های این بخش، از جمله «بریج‌مانیت»(bridgmanite) و «فروپری‌کلاز»(ferropericlase)، عمدتاً خشک باشند.

کانی‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند آب را در اعماق زمین در خود نگه دارند، اما بسیاری از آنها برای حفظ پایداری به ترکیبات شیمیایی خاص و غیرمعمولی نیاز دارند یا در دماهای بسیار بالایِ عمیق‌ترین بخش‌های گوشته تجزیه می‌شوند.

بنابراین، پژوهشگران به دنبال احتمالی دیگر رفتند. آنها برای بازسازی دماها و فشارهای بسیار بالا از «سلول‌های سندان الماس با گرمایش لیزری» استفاده کردند که ابزارهایی هستند که نمونه‌های بسیار کوچک را میان دو نوک الماس که فاصله‌شان تنها به اندازه ضخامت یک کاغذ است، تحت فشار قرار می‌دهند و هم‌زمان با لیزر به آنها حرارت می‌دهند.

دانشمندان در این شرایط، دو نوع ترکیب «اکسی‌هیدروکسید آهن» را شناسایی کردند که پیش از این ناشناخته بودند و می‌توانند مقادیر عظیمی از آب را در ساختار خود محبوس کنند.

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این فازها می‌توانند در شرایط اعماق گوشته وجود داشته باشند، اما مستقیماً ثابت نمی‌کنند که آنها درون زمین نیز حضور دارند.

ویلسون در تفسیر خود می‌نویسد: شناسایی این اکسی‌هیدروکسیدهای آهن حائز اهمیت است، زیرا آنها ظاهراً فازهایی پایدار و متراکم هستند که آب را در طیف وسیعی از شرایط گوشته زیرین، جذب و حفظ می‌کنند.

این کانی‌ها حتی در شرایط کمبود آب نیز تشکیل شدند. در برخی آزمایش‌ها، ماده اولیه حاوی کمتر از ۰.۱ درصد آب بود، با این حال همان غلظت‌های ناچیز هیدروژن برای پایدارسازی فازهای جدید کافی بود.

این موضوع مهم است، زیرا اعماق درونی زمین شبیه به یک اقیانوس عظیم زیرزمینی نیست. هرگونه آبی که در آنجا ذخیره شده باشد، باید درون ساختار کانی‌ها جای گرفته باشد؛ آن هم اغلب در شرایطی که آب آزاد عملاً وجود ندارد.

به نظر می‌رسد این کانی‌های جدید برای انجام این کار به‌طور غیرمعمولی مناسب هستند. آنها هم در شرایط بسیار سختِ پایین‌ترین بخش گوشته پایدارند و هم به‌مراتب متراکم‌تر از سنگ‌های پیرامونی گوشته هستند. این بدان معناست که وقتی یک «اقیانوس ماگمایی پایه»(توده‌ای مذاب و اولیه) در اوایل تاریخ زمین سرد و متبلور شد، این کانی‌های حاوی آب می‌توانستند تشکیل شده و سپس به سمت مرز هسته و گوشته فرو روند.

این آبِ پنهان لزوماً پنهان نمی‌ماند؛ زیرا با بالا کشیده شدن موادِ حاوی آب توسط جریان‌های گوشته، کاهش فشار می‌تواند باعث ناپایداری کانی‌ها شده و آب آنها را در سایر حالت‌های گوشته آزاد کند.

در نهایت، بخشی از آن آب می‌تواند از طریق ستون‌های گوشته‌ای(plumes) و فعالیت‌های آتشفشانی به سطح زمین بازگردد.

این کشف همچنین بر معمایی قدیمی پرتو می‌افکند. یک کانی موسوم به «فاز H» که در آزمایش‌های پیشینِ فشار بالا مشاهده شده بود، ظاهراً با یکی از اکسی‌هیدروکسیدهای تازه شناسایی‌شده مطابقت دارد.

پژوهشگران بر این باورند که آلودگی هیدروژنی ناشی از رطوبت ناچیز و نه یک کانی خشک و کاملاً جدید، ممکن است در پیدایش آن فازِ اسرارآمیز در آزمایش‌های قبلی نقش داشته باشد.

لئونید دوبرووینسکی(Leonid Dubrovinsky)، فیزیکدان کانی‌شناس و بلورشناس از دانشگاه بایروث(Bayreuth) می‌گوید: ظاهراً حتی مقادیر بسیار اندک هیدروژن برای پایدارسازی این ترکیبات آهنِ بسیار آب‌دار (هیدراته) کافی است.

هنوز پرسش‌های بزرگ و بی‌پاسخی وجود دارد و به گفته ویلسون، تصویر کلی ماجرا هنوز ناقص است.

میزان دقیق آب موجود در این کانی‌ها باید مشخص شود و سرنوشت آنها پس از رسیدن به مرز هسته و گوشته نیز همچنان نامعلوم است. همچنین مشخص نیست که آبِ ذخیره‌شده در این کانی‌های عمیق، با چه سهولتی و در چه بازه‌های زمانی می‌تواند سرانجام به سطح زمین بازگردد.

با این حال، این کشف نشان می‌دهد که چرخه آب زمین می‌تواند تا مرز هسته سیاره امتداد داشته باشد و به گفته ویلسون، این کانی‌های تازه شناسایی‌شده «گامی بزرگ در جهت حل معمای چگونگی دستیابی زمین به آب و حفظ آن» محسوب می‌شوند.

این پژوهش در نشریه Nature Geoscience منتشر شده است.