در جستجوی اقیانوس‌های نهفته در اعماق زمین

چندین هزار قطعه‌ی الماس به اندازه‌ی ریگ، که از گل‌ولای‌های مناطقی از برزیل جدا شدند، اکنون در جایی امن (گاوصندوق) در دانشگاه نورث‌وسترن قرار دارند. شاید این الماس‌های ریگ‌مانند برای بعضی‌ها بی‌اهمیت باشند. استیو جاکوبسن، یک کانی‌شناس از دانشگاه نورت‌وست است: «له‌و‌لورده شده‌اند، انگار انداخته باشندشان توی ماشین‌لباس‌شویی» خیلی از آنها کدر یا زرد هستند، و ظاهرشان به جواهر‌اتِ خوش‌رنگ‌و‌لعابِ رویایی جواهرسازها شباهتی ندارد.

با این وجود، تکه به تکه‌ی این کربنِ بلورین برای محققانی چون جاکوبسن گرانبها هستند ــ نه به خاطر خود الماس بلکه به خاطر آنچه در دلِ آن حبس شده است: یعنی ذراتی معدنی که صدها کیلومتر زیرِ زمین، در عمق جبه‌ی کره تشکیل شده‌اند.

این ذرات معدنی ــ که برخی از آنها آنقدر ریزند که حتا زیر میکرسکوپ هم دیده نمی‌شوند ــ این فرصت را برای دانشمندان فراهم می‌کنند که نگاهی به نواحی داخلی و دسترس‌ناپذیر زمین بیاندازند. در سال ۲۰۱۴، محققان نگاهی اجمالی به ماده‌ای که در بطن این مواد معدنی جای گرفته بود انداختند، ماده‌ای که اگر به خاطر سرچشمه‌های عمیق‌اش نبود، چنین مورد توجه قرار نمی‌گرفت: آب.

نه قطرات واقعی آب، و نه حتا مولکول‌های H₂O، بل اجزاء سازنده‌اش، اتم‌های هیدروژن و اکسیژن در ساختار بلوری ‌خود این ماده‌ی معدنی جای گرفته بودند. این ماده‌ی معدنیِ آب‌دار البته مرطوب نیست. اما وقتی ذوب می‌شود، آب از آن خارج می‌شود. این اکتشاف اولین مدرک مشخص از این بود که مواد معدنیِ غنی از آب در این اعماق، بین ۴۱۰ تا ۶۶۰ کیلومتر در زیر زمین، در منطقه‌ای به‌نام ناحیه‌ی انتقالی (transitional zone) وجود دارند، و بین جبه‌ی داخلی و خارجی فشرده شده‌اند.

این الماس که متعلق به Juína، برزیل است، در اصل در اعماق زمین شکل گرفته. این الماس شامل رینگ‌وودایت، ماده‌ی معدنی پرآب است.

از آن هنگام، دانشمندان شواهد راسخ‌تری درباره‌ی آب یافتند. در ماه مارس، یک تیم تحقیقاتی اعلام کرد که الماس‌هایی از جبه‌ی زمین کشف کردند که آب واقعی درون آنها را آکنده است. داده‌های لرزه‌نگاری همچنین مواد معدنی آب‌دوست را در سرتاسر بخش وسیعی از نواحی درونی یا مرکزیِ زمین ثبت کردند. برخی از دانشمندان اکنون استدلال می‌کنند که مخازن عظیمی از آب می‌توانند به فاصله‌ی زیادی از زیر پای ما نهفته باشد. اگر آبِ موجود بر سطح سرتاسرِ این سیاره‌ را یک اقیانوس در نظر بگیریم، و اگر کاشف به عمل آید که حتا چندین اقیانوس در زیرِ زمین قرار دارند، آنوقت این مسئله نحوه‌ی تفکرِ دانشمندان درباره‌ی نواحی داخلیِ زمین را تغییر می‌دهد.

اما این مسئله پرسش دیگری را هم پیش می‌کشد: این همه آب‌ از کجا آمده؟

جهان آبی

همان‌طور که می‌دانیم بدون آب، زندگی وجود ندارد. بدون آب، سیاره‌ی پویا و زنده‌ای که امروز می‌شناسیم نیز در کار نخواهد بود. آب در حرکات صفحه‌ای زمین [حرکات تکتونیک] نقشی اساسی ایفا می‌کند، آتشفشان‌ها را به راه می‌اندازد و به بخش‌های بالایی جبه کمک می‌کند که آزادانه‌تر حرکت کنند. با این‌حال، بخش عمده‌ی جبه نسبتاً خشک است. برای نمونه، جبه‌ی خارجی[لایه‌ی بیرونی جبه] اساساً از یک ماده‌ی معدنی به‌نام الیوین (olivine) تشکیل شده که نمی‌تواند آب زیادی را در خود ذخیره کند.

اما پایین‌تر از ۴۱۰ کیلومتر، در منطقه‌ی انتقالی، الیوین در دما و فشار زیاد این کانی به صورتِ پیکر‌بندی کریستالی جدیدی به نام وادسلیایت (wadsleyite) فشرده می‌شود. جو اسمیت کانی‌شناس در دانشگاه کُلُرادُ، در ۱۹۸۷، پی برد که ساختار بلوریِ وادسلیایت پر از شکاف‌ها یا فضاهای خالی است. این فضاهای خالی جای مناسبی برای اتم‌های هیدروژن هستند، اتم‌های هیدروژن خودشان را در این درزها جا می‌کنند و به اتم‌های اکسیژن مجاوری که از پیش در این ماده معدنی وجود دارند، می‌چسبند. اسمیت پی برد که وادسلیایت به طور بالقوه می‌تواند انبوهی هیدروژن به چنگ آورد، و این موضوع باعث می‌شود وادسلیایت به ماده‌ی معدنی آبداری تبدیل کند که در هنگام ذوب شدن آب تولید می‌کند. برای دانشمندانی مثل اسمیت، جایی که هیدروژن باشد، آب هم هست.

وادسلیایت در اعماق منطقه‌ی انتقالی تبدیل به رینگ‌وودایت (ringwoodite) می‌شود. و جاکوبسن (که دانشجوی فارغ‌التحصیلِ اسمیت در دهه‌ی ۱۹۹۰ بود) در آزمایشگاه برای شبیه‌سازی شرایط افراطیِ منطقه‌ی انتقالی، ذره‌هایی از رینگ‌وودایت را تحت فشار و گرما قرار داد. محققان با انجام آزمایش‌های مشابهی با هر دوی وادسلیایت و رینگ‌وودایت، دریافتند که در منطقه‌ی انتقالی، این مواد معدنی می‌توانند معادل ۱ تا ۳ درصد از وزن‌شان در خود آب ذخیره کنند. با توجه به اینکه منطقه‌ی انتقالی یک لایه‌ی ضخیم تقریبا ۲۵۰ کیلومتری است که ۷ درصد از جرم زمین را تشکیل می‌دهد (در مقام مقایسه پوسته‌ تنها یک درصد جرم زمین است)، پس می‌تواند چندین برابر آب‌های اقیانوس زمین را نیز دربربگیرد.

نقشه‌ای از جبه‌ی مرطوب: اکتشافات اخیر درباره‌ی مواد معدنی پر آب نشان می‌دهد که جبه‌ی زمین احتمالاً بیشتر از همه‌ی اقیانوس‌ها، ‌آب در خود دارد. یافته‌ها، دانسته‌های پیشین ما درباره‌ی بافت کره‌ی زمین را به چالش می‌کشد.

آب چگونه به آنجا رسیده؟

وجود آب در جبه توضیح درباره‌ی سرچشمه‌ی آب زمین را بسیار دشوار می‌کند. دانشمندان گمان می‌کنند که دست کم دو مکانیسم در کارند:

آب از همان ابتدا وجود داشت:

همانطور که زمین‌ در نتیجه‌ی درهم‌آمیختگی گردوخاک و سنگ شکل می‌گرفت، بعضی از ملکول‌های آب به ذرات گردوخاک چسبیدند و از گرما نجات پیدا کردند.

بعده‌ها برخوردهای اجرام سماوی به زمین آب را به کره‌ی زمین آورد:

سیارک‌های پر آب از منظومه‌های شمسی دور به زمین نوپا برخورد کردند. این آب‌ها در طول زمان جزئی از جبه شدند.

سرنخ‌های مواد معدنی:

الماس‌ها موادمعدنی آبدار را از ناحیه‌ی انتقالی می‌گیرند و بعد از آن به سطح می‌آیند

وادسلیایت  (احتمالاً آبدار) / رینگ‌وودایت (احتمالاً آبدار) / یخ‌ـ‌هفت

هر چند، این آزمایش‌ها تنها ظرفیت نگهداری آب را اندازه می‌گیرند. وندی پانروی ژئوفیزیکدان در دانشگاه اوهایو می‌گوید «این آزمایش‌ها برای سنجش میزان آبی که در اسفنج قرار گرفته نیست، در واقع این آزمایش می‌سنجد که یک اسفنج به صورت بالقوه چقدر آب را می‌تواند در خود حفظ می‌کند.»

هیچ‌کدام از این آزمایش‌ها لزوماً واقع‌گرایانه نبودند، زیرا محققان تنها می‌توانند رینگ‌وودایتِ به عمل آمده در آزمایشگاه را تست کنند. فارغ از چند شهاب‌سنگ، تا به حال هیچ‌کس رینگ‌وودایت را در طبیعت ندیده. «تا به حال» یعنی تا سال ۲۰۱۴.

 سرنخ‌های وسوسه‌انگیز

درحالیکه طرفداران فوتبال برای جام‌جهانی ۲۰۱۴ در برزیل دور هم جمع می‌شدند، یک گروه کوچک زمین‌شناسی به سوی کشتزارهایی در اطراف Juína می‌رفتند، شهری تقریبا در ۲۰۰۰ کیلومتری غرب برازیلیا، پایتخت برزیل. آنها در جستجوی الماس‌هایی بودند که سابقاً نمونه‌هایی از آنها را از رودخانه‌های محلی استخراج کرده بودند.

از آن‌جایی که الماس‌ها در گرما و فشار بالای جبه شکل می‌گیرند، می‌توانند ذراتی از سایر مواد معدنی را هم در خود نگه دارند.و چون سخت و سفت هستند، وقتی ضمن فوران‌های آتشفشانی به سطح زمین پرتاب شده و پخش می‌شوند، برخی از کانی‌هایِ جبه‌ را هم در خود حفظ می‌کنند.

این محققان بیش از هزار تکه از خردشده‌ترین بلورهای خالدارِ مملو از کانی را خریداری کردند یا به دست آوردند. یکی از دانشمندان به نام گراهام پیرسون چند صد نمونه از آن بلورها را به آزمایشگاه‌اش در دانشگاه آلبرتا برد. سپس او و همکارش درون یک قطعه الماس خاص، رینگ‌وودایتی را کشف کردند که در منطقه‌ی انتقالی وجود داد. نه تنها رینگ‌وودایت بلکه رینگ‌وودایت آبدار، که این یعنی ــ حدود یک درصد از وزن‌اش ــ حاوی آب است.

گراهام پیرسن، زمین‌شیمی‌دانی در دانشگاه آلبرتا، تیمی را هدایت کرد که کانی‌های آبدار متعلق به جبه را کشف کردند.

برای اولین بار دانشمندان نمونه‌ای از منطقه‌ی انتقالی را در دست داشتند ــ نمونه‌ای که آبدار بود. برَندِن اشمنت که محقق لرزه‌شناسی دانشگاه نیو مکزیکو است معتقد است که «این کشف از لحاظ اعتبار علمی اهمیت دارد و در نتیجه این فرض که در بخش‌های دیگر منطقه‌ی انتقالی نیز آب وجود دارد عجیب نیست.»

ولی در ادامه اشمنت اضافه می‌کند که «البته کمی نابخردانه است فکر کنیم تنها یک بلور، میانگینِ خوبی برای نشان دادن بافتار کلِ منطقه‌ی انتقالی است.» با این وجود، الماس‌ها، تنها در شرایط مشخصی شکل می‌گیرند، و شاید این نمونه از مکان فوق‌العاده پر آبی آمده باشد.

برای فهمیدن اینکه پراکنش رینگ‌وودایت آبدار می‌تواند تا چه حد گسترده باشد، اشمنت با جاکوبسن و دیگران تیمی تشکیل می‌دهند تا با استفاده از امواج لرزه‌ای میزان فراگیربودنِ رینگ‌وودایت آبدار را ثبت کنند. به دلیل وجود سیستم همرفت یا جابجایی گرما، رینگ‌وودایت آبدار می‌تواند ته‌نشین شود، و وقتی به زیر منطقه‌ی انتقالی فرومی‌افتد، افزایش فشار باعث خروج آب از آن می‌شود، و این موجبِ ذوب ماده‌ی معدنی می‌شود. درست در زیر منطقه‌ی انتقالی جایی که ماده‌ی جبه از آن نشأت می‌گیرد، حوضچه‌های مواد معدنی مذاب می‌توانند ناگهان امواج لرزه‌ای را کند و آهسته کنند. در واقع، محققان با اندازه‌گیری سرعت‌های لرزه‌ای در زیر صفحه تکتونیکیِ آمریکای شمالی به این مسئله پی بردند که چنین حوضچه‌هایی فراوان در زیر منطقه‌ی انتقالی ظاهر می‌شوند. در مطالعه‌ی دیگری، امواج لرزه‌ای زیر رشته کوه‌های اروپایی آلپ اندازه‌ گرفته شد و محققان الگویی مشابه را کشف کردند.

در ماه مارس دانش ما درباره‌ی «آبِ فراوان مربوط به جبه»‌ ارتقا یافت، وقتی تیمی تحت هدایت الیور شاونر، یک کانی‌شناس در دانشگاه نوادای لاس‌وگاس، الماس‌هایی را کشف کرد که حاوی قطعات واقعی آب یخ‌زده هستند ــ  این اولین مشاهدات از جبه درباره‌ی وجود آزادانه‌ی H2O به حساب می‌آید. این نمونه‌ها بیشتر از آن‌که از ذخایر بالای آب خبر  بدهند، حاکی از آن شرایط رطوبتی هستند که به الماس شکل می‌دهد. اما چون این آب  ــشکلی از آب با فشار بالا که یخ‌ـ‌هفت نامیده می‌شودــ در مکان‌های گوناگونی در سرتاسر آفریقای جنوبی و چین یافت شده بود، پس می‌تواند به طور نسبتاً گسترده موجود باشد.

استیو شیری زمین‌شناسِ موسسه‌ی علمی کارنگی می‌گوید: «تا چند سال بعد در خواهیم یافت که یخ‌ـ‌‌هفت بسیار بیشتر از اینها است. این کشف دارد به ما همان داستانی را می‌گوید که کشفیات تازه در زمینه‌ی رینگ‌وودایت آبدار به ما می‌گوید.»

اما اگر ماجرا از این قرار است که جبه سرشار از آب است، آن‌وقت بخشِ هیجان‌انگیز و بی‌پاسخِ داستان به اینجا می‌ر‌سد که این همه آب چگونه به اینجا رسیده.

سرچشمه‌های آبی

بر اساس نظریات مورد قبول فعلی زمین‌شناسی، آب روی زمین از فضا به زمین وارد شده‌ است. مجاور خورشید یعنی جایی که سیاره‌‌ی ما شکل گرفته برای به دام انداختن موادی فرّار چون آب زیاد از حد داغ بوده. پس زمین نوبنیان شروع به خشک‌شدن کرد، و بعد از اینکه اجسام سماویِ پر آب از‌ منظومه‌های خورشیدی دوردست به این سیاره برخوردند، آب را به سطح زمین آوردند. اکثر این اجسام سماوی احتمالاً نه ستاره‌های دنباله‌دار بلکه به بیان دقیق‌تر سیارک‌هایی بودند که کاندریت (سنگ‌های کیهانی) کربن‌دار نامیده می‌شدند، اجسامی که بیشتر از بیست درصدِ وزن‌شان را آب تشکیل می‌داد، آب‌هایی که به شکل اتم‌های هیدروژن (همچون درون رینگ‌وودایت) انباشت می‌شدند.

اما اگر ذخیره‌ی عظیمی از آب در منطقه‌ی انتقالی وجود دارد، پس این داستان سرچشمه‌ی آب باید تغییر کند. اگر منطقه‌ی انتقالی بتواند یک درصد از وز‌ن‌اش را که آب است ذخیره کند ــکه این به گفته‌ی جاکوبسن یک برآورد متعادل استــ آنوقت حجم آبش معادل دو برابر حجم آب اقیانوس‌های دنیا خواهد بود. جبه‌ی زیرین نه فقط بسیار خشک‌تر که بس حجیم‌تر است. جبه‌ی زیرین می‌تواند معادل همه‌ی اقیانوس‌های جهان باشد (تأکیدِ دوباره). در پوسته نیز آب وجود دارد. جاکوبسن می‌گوید برای فرورَوی آب، ادغامِ آن میزان آب از سطح زمین با سرعت جاری، بیشتر از قدمت این سیاره زمان خواهد برد.

استیو جاکوبسن، کانی‌شناس در دانشگاه نورث‌وسترن، استدلال می‌کند که جبه به نسبت اقیانوس‌های زمین آب بیشتری در خود دارد.

اگر ماجرا از این قرار باشد، پس دست‌کم مقداری آب درونی زمین از اول شکل‌گیری زمین درونش بوده. بر اساس برخی نظریه‌ها، به رغم گرما در منظومه‌ی شمسی آغازین، ملکول‌های آب می‌توانستند به ذرات گردوخاکی چسبیده باشند که برای تشکیلِ زمین به هم پیوستند.

با این وجود کل مقدار آب در جبه در حال حاضر رقم نامشخصی است. بر طبق استدلال اشمنت و دیگران، شاید جبه در مُنتهای پایینی‌اش تنها نصف همان مقدار آبی که در اقیانوس‌های جهان وجود دارد را در بر بگیرد.

جبه در منتهای بالایی‌اش می‌تواند دو یا سه برابرِ مقدارِ آبِ اقیانوس‌ها را در بر بگیرد. اگر این مقدار خیلی بیشتر از آن بود، گرمای اضافی زمین جوان‌تر جبه را آنقدر مرطوب و روان می‌ساخت که صفحه‌های قاره‌ای خُرد و درهم‌شکسته می‌شدند، و صفحات تکتونیکی امروز شاید هرگز اینچنین شروع به شکل‌گیری نمی‌کردند. جون کورناگا، ژئوفیزیکدانی از دانشگاه ییل می‌گوید «داشتنِ توده‌ای از آب در جُبه هیچ خوب نیست.»

اما تردیدهای زیادی در این زمینه به جا می‌ماند. جبه‌ی زیرین یک علامت سوال بزرگ است، جایی که فشار شدید باعث تبدیلِ رینگ‌وودایت به بریجمنایت (bridgmanite) می‌شود، ماده‌ای که به هیچ وجه نمی‌تواند آب بسیاری را نگه دارد. هر چند مطالعات اخیر، حاکی از حضور مواد معدنی آبدار جدیدی است که تحت عناوینِ فاز D و فاز H نامگذاری شدند. به قول پانرو، اینکه این مواد معدنی دقیقاً به چه شبیه هستند و چه مقدار آب می‌توانند ذخیره کنند یک پرسشِ بی‌پاسخ باقی می‌ماند. «زیرا این مسئله کاملاً رو به امکان‌های مختلف باز است، پس فکر می‌کنم حجم دقیق آب در جبه محل مناقشه‌باقی بماند. مناقشه‌ای پر طول و تفصیل.»

اندازه‌گیری ذخیره‌ی آب درونی زمین ساده نیست. کورناگا می‌گوید یکی از روش‌هایی که احتمالاً پاسخی فراهم کند، اندازه‌گیری قابلیت رسانایی الکتریکی جبه است. اما تکنیک‌ها هنوز  به اندازه‌ی استفاده از امواج لرزه‌ای پیشرفته نیستند. و در حالی که امواج لرزه‌ای، نظرگاهی شامل از داخل زمین ارائه می‌دهند، اما این منظر همیشه واضح نیست. سیگنال‌ها دقیق هستند، و محققان هم به جای اینکه فقط به رینگ‌وودایت و وادسلیایت بپردازند،  به داده‌های بسیار دقیق‌تر و درکی بهتر از ویژگی‌های واقعی ماده‌ی جبه نیاز دارند. این دو ماده‌ی معدنی حدود ۶۰ درصد منطقه‌ی انتقالی را تشکیل می‌دهند، و باقی آن آمیزه‌‌ی پیچیده‌ای از دیگر مواد معدنی و ترکیب‌ها است.

یافتن الماس‌های بیشتری که دارای مواد معدنی آبدار باشند نیز به این پژوهش کمک خواهد کرد. در آزمایشگاه جاکوبسن، میشل ونز دانشجوی فارغ‌التحصیل این کار را بر عهده دارد. او در آزمایشگاه ملی آرگون برای هر الماس از پرتوهای ایکس قدرتمندی استفاده می‌کند تا همه‌ی توده‌های ذرات معدنی را مشخص کند. این توده‌ها شاید یک‌دوجین بیشتر نباشند. سپس برای تشخیص مواد معدنی، او پرتوهای ایکس را به درون هر توده می‌تاباند و اندازه می‌گیرد که چگونه این پرتوها ساختار بلوری‌اش را پراکنده می‌کنند. از صدها الماس موجود در این آزمایشگاه که از برزیل می‌آیند، او بر روی حدود ۶۰ نمونه کار کرده است. و هنوز خبری از آب نیست.

او می‌گوید چه دارای آب باشند و چه نه، این کپسول‌ها که از اعماق زمین در آمده‌اند همچنان شگفت‌انگیز هستند. «هر کدام از آنها منحصربه‌فرد است، خیلی شبیه به دانه‌های برف هستند.»

سفید کاغذی

جدیدترین شماره کاغذی سفید را بخرید

شماره ۳: پری‌زدگی

خرید این شماره