کشف ساختارهای عظیم ۱۰۰۰ کیلومتری در اعماق زمین: اورست دیگر بلندترین کوه نیست

اورست مرتفع‌ترین کوه زمین نیست

دانشمندان برای سالیان متمادی متوجه شده بودند که امواج لرزه‌ای هنگام عبور از بخش‌های عمیق گوشته زمین در مناطق آفریقا و اقیانوس آرام، رفتاری متفاوت از خود نشان می‌دهند. این امواج با سرعت کمتری حرکت کرده و نشان‌دهنده تفاوت در ترکیب یا ساختار مواد در این نواحی بود. این نشانه‌ها از مدت‌ها پیش وجود ساختارهایی عظیم را در نزدیکی مرز میان هسته و گوشته زمین، در عمق حدود ۲۹۹۰ کیلومتری زیر سطح، مطرح کرده بودند که هنوز به‌طور کامل شناخته نشده‌اند.

کشف ساختارهای عظیم در اعماق زمین

روش نوین دانشگاه اوترخت

دانشمندان دانشگاه اوترخت با استفاده از ارتعاشات باقی‌مانده پس از زمین‌لرزه‌ها، تلاش کرده‌اند تصویر دقیق‌تری از اعماق زمین ترسیم کنند. برخلاف روش‌های قبلی که بیشتر بر سرعت حرکت امواج لرزه‌ای تمرکز داشتند، این تیم به سراغ پدیده «میرایی» رفت؛ یعنی میزان انرژی که این امواج در مسیر خود از دست می‌دهند. با تحلیل این داده‌ها و در نظر گرفتن زمین به عنوان یک سیستم یکپارچه در حال لرزش، مدلی جدید و جامع از بخش‌های عمیق گوشته زمین ارائه شد.

ساختارهای LLSVP

پژوهش جدید که در مجله Nature منتشر شده، وجود دو ساختار عظیم را در اعماق زمین تأیید می‌کند. این ساختارها که به آن‌ها «LLSVP» گفته می‌شود، از مرز میان هسته و گوشته، در زیر آفریقا و اقیانوس آرام، به سمت بالا امتداد یافته‌اند. این نواحی شبیه به کوه‌های عظیم درون زمین هستند، با این تفاوت که ارتفاع آن‌ها تا حدود ۱۰۰۰ کیلومتر و عرضشان می‌تواند به ۵۰۰۰ کیلومتر برسد. این ساختارها از ترکیب ویژگی‌های حرارتی و شیمیایی متفاوت نسبت به محیط اطرافشان شکل گرفته‌اند و نقش مهمی در دینامیک سیاره ایفا می‌کنند.

چگونه ارتعاشات زمین این ساختارها را آشکار کردند؟

دانشمندان برای کشف این ساختارهای عظیم از روش پیشرفته «لرزه‌شناسی مدهای نرمال» استفاده کردند. این روش، کل زمین را مانند یک جسم در حال ارتعاش در نظر می‌گیرد و نوسانات کلی آن را پس از زمین‌لرزه‌های بزرگ بررسی می‌کند. این تکنیک اطلاعات دقیق‌تری درباره خواص مواد درون زمین، از جمله ویژگی کشسانی (چگونه مواد کش می‌آیند) و ناکشسانی (چگونه انرژی را جذب یا از دست می‌دهند) ارائه می‌دهد.

پژوهشگران با استفاده از این رویکرد، یک مدل سه‌بعدی دقیق از درون زمین به نام QS4L3 ایجاد کردند. این مدل به آن‌ها اجازه داد تا تصویری جامع‌تر از ساختارهای عمیق گوشته به دست آورند. تیم تحقیقاتی سوجانیا تالاورا سوزا با بررسی زمین‌لرزه‌های قدرتمندی که کل زمین را وارد حالت ارتعاشی «مدهای نرمال» می‌کنند، توانستند بهتر تشخیص دهند که تغییرات مشاهده‌شده در اعماق زمین ناشی از دما یا تفاوت در ترکیب مواد هستند.

ترکیب متفاوت LLSVPها

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که رفتار مواد در بخش‌های مختلف گوشته زمین یکسان نیست. در بخش بالایی گوشته، هر جا که سنگ‌ها داغ‌تر هستند، امواج لرزه‌ای کندتر حرکت کرده و انرژی بیشتری از دست می‌دهند. اما در ساختارهای LLSVP، امواج لرزه‌ای با سرعت کمتری حرکت می‌کنند، اما برخلاف انتظار، انرژی کمتری از دست می‌دهند.

این رفتار غیرمعمول نشان می‌دهد که دلیل این پدیده فقط دمای بالاتر نیست، بلکه احتمالا ترکیب شیمیایی این نواحی نیز با سایر بخش‌های گوشته متفاوت است. به عبارت دیگر، این ساختارها نه‌تنها داغ‌تر، بلکه از نظر جنس مواد نیز متمایز هستند. دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این نواحی احتمالا از مواد معدنی با دانه‌های بزرگ‌تر تشکیل شده‌اند و ترکیب شیمیایی‌شان نیز با بخش‌های اطراف فرق دارد.

مقایسه داده‌ها با مدل‌های آزمایشگاهی نشان داد که نواحی اطراف اقیانوس آرام معمولا سردتر و دارای دانه‌های کوچک‌تر هستند، در حالی که LLSVPها گرم‌تر بوده و ساختاری با دانه‌های بزرگ‌تر دارند. این تفاوت‌ها به خوبی توضیح می‌دهد که چرا امواج لرزه‌ای در این مناطق رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند و پیچیدگی اعماق زمین را آشکار می‌سازد.

پیامدهای این کشف برای تاریخ زمین

این کشف می‌تواند سرنخ‌های مهمی درباره گذشته بسیار دور زمین به ما بدهد. یکی از فرضیه‌های اصلی این است که این ساختارهای عظیم از بقایای پوسته‌های اقیانوسی بسیار قدیمی تشکیل شده‌اند؛ موادی که میلیاردها سال پیش به داخل گوشته فرو رفته و در نزدیکی مرز هسته و گوشته انباشته شده‌اند. از آنجا که ترکیب شیمیایی این مواد با بقیه گوشته متفاوت است، احتمال دارد به راحتی با آن مخلوط نشوند و به صورت نواحی پایدار و جداگانه باقی بمانند. اگر این فرضیه درست باشد، این ساختارها در واقع بقایای اولیه زمین هستند که از میلیاردها سال پیش تاکنون حفظ شده‌اند.

مدل جدیدی که دانشمندان ساخته‌اند، کل گوشته زمین را به صورت سه‌بعدی پوشش می‌دهد و با بررسی تغییرات ظریف در نحوه ارتعاش کل زمین، چگونگی تغییر امواج لرزه‌ای در برخورد با ساختارهای مختلف درون زمین را نشان می‌دهد. نتایج حاکی از آن است که در اطراف اقیانوس آرام، میزان اتلاف انرژی بیشتر است، در حالی که درون ساختارهای LLSVP، این اتلاف انرژی کمتر است. این تفاوت‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا بهتر بفهمند این نواحی از چه موادی تشکیل شده‌اند و چگونه در طول زمان شکل گرفته‌اند.

پژوهشگران، از جمله لورا کوبدن از دانشگاه اوترخت، با تخمین میزان ویسکوزیته (مقاومت جریان) در این نواحی بر اساس تفاوت در اندازه دانه‌های معدنی و دما، به این نتیجه رسیدند که LLSVPها ساختارهایی بسیار پایدار با عمر طولانی هستند و می‌توانند صدها میلیون تا حتی میلیاردها سال در اعماق زمین باقی بمانند. این ساختارهای عظیم ممکن است بر فرایندهای سطحی نیز تأثیر بگذارند و در شکل‌گیری ستون‌های داغ گوشته‌ای، حرکت صفحات زمین‌ساختی و حتی فعالیت‌های آتشفشانی در مقیاس‌های زمانی طولانی نقش داشته باشند.