رسم توضيحي للأرض كما كانت موجودة خلال جزء من تكوينها قبل مليارات السنين عندما غطى محيط من الصهارة سطح الكوكب وامتد إلى عمق آلاف الأميال في القلب. يتم عرض خلية نموذجية من محاكاة أجراها باحثو FSU مع المواضع النسبية للذرات في اليسار. الائتمان: Suraj Bajgain / جامعة Lake Superior State
خلال المراحل الأولى من تكوين الأرض ، غطى محيط هائل من الصخور المنصهرة يعرف باسم « محيط الصهارة » سطح الكوكب وتوغل في أعماق قلبه. لعب معدل تبريد « محيط الصهارة » دورًا مهمًا في تشكيل البنية الطبقية للأرض وتحديد التركيب الكيميائي لتلك الطبقات.
أشارت الأبحاث السابقة إلى أن الأمر استغرق مئات الملايين من السنين لتصلب محيط الصهارة ، ولكن بحثًا جديدًا من جامعة ولاية فلوريدا نشرت في اتصالات الطبيعة خفضت هذه الشكوك إلى أقل من مجرد مليوني سنة.
قال ميناك موخيرجي ، أستاذ الجيولوجيا المشارك في قسم علوم الأرض والمحيطات والغلاف الجوي: « كان محيط الصهارة جزءًا مهمًا من تاريخ الأرض ، وتساعدنا هذه الدراسة في الإجابة على بعض الأسئلة الأساسية حول الكوكب ».
عندما تبرد الصهارة ، فإنها تشكل بلورات. يعتمد مكان انتهاء هذه البلورات على مدى لزوجة الصهارة والكثافة النسبية للبلورات. من المرجح أن تغرق البلورات الأكثر كثافة وبالتالي تغير تكوين الصهارة المتبقية. يعتمد معدل تصلب الصهارة على مدى لزوجتها. ستؤدي الصهارة الأقل لزوجة إلى تبريد أسرع ، في حين أن المحيط الصهاري ذو الكثافة السميكة سيستغرق وقتًا أطول ليبرد.
مثل هذا البحث ، استخدمت الدراسات السابقة المبادئ الأساسية للفيزياء والكيمياء لمحاكاة الضغوط العالية ودرجات الحرارة في باطن الأرض العميق. يستخدم العلماء أيضًا التجارب لمحاكاة هذه الظروف القاسية. لكن هذه التجارب تقتصر على ضغوط أقل ، والتي توجد في أعماق ضحلة داخل الأرض. إنهم لا يلتقطون بشكل كامل السيناريو الذي كان موجودًا في التاريخ المبكر للكوكب ، حيث امتد محيط الصهارة إلى أعماق حيث من المرجح أن يكون الضغط أعلى بثلاث مرات مما يمكن أن تتكاثر به التجارب.
للتغلب على هذه القيود ، قام Mookherjee ومعاونوه بتشغيل المحاكاة الخاصة بهم لمدة تصل إلى ستة أشهر في منشأة الحوسبة عالية الأداء في FSU وكذلك في منشأة حوسبة National Science Foundation. أدى هذا إلى القضاء على الكثير من عدم اليقين الإحصائي في العمل السابق.
قال سوراج باجين ، باحث سابق لما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية فلوريدا ، وهو الآن أستاذ مساعد زائر في جامعة ليك سوبيريور ستيت: « الأرض كوكب كبير ، لذا من المرجح أن يكون الضغط مرتفعًا للغاية في العمق ». « حتى لو كنا نعرف لزوجة الصهارة على السطح ، فإن ذلك لا يخبرنا عن اللزوجة الموجودة أسفلها بمئات الكيلومترات. العثور على هذا أمر صعب للغاية « .
يساعد البحث أيضًا في تفسير التنوع الكيميائي الموجود داخل وشاح الأرض السفلي. تتبلور عينات من الحمم البركانية – اسم الصهارة بعد أن تخترق سطح الأرض – من التلال في قاع قاع المحيط والجزر البركانية مثل هاواي وأيسلندا إلى صخور بازلتية ذات مظاهر متشابهة ولكن تركيبات كيميائية مميزة ، وهو وضع له علماء الأرض في حيرة طويلة.
« لماذا لديهم إشارات كيميائية أو كيميائية مميزة؟ » قال موخيرجي. « بما أن الصهارة تنشأ من تحت سطح الأرض ، فهذا يعني أن مصدر الصهارة هناك له تنوع كيميائي. كيف بدأ هذا التنوع الكيميائي في المقام الأول ، وكيف نجا عبر الزمن الجيولوجي؟ «
يمكن تفسير نقطة البداية للتنوع الكيميائي في الوشاح بنجاح بواسطة محيط الصهارة في تاريخ الأرض المبكر مع انخفاض اللزوجة. أدت الصهارة الأقل لزوجة إلى الفصل السريع للبلورات المعلقة داخلها ، وهي عملية يشار إليها غالبًا باسم التبلور الجزئي. أدى ذلك إلى خلق مزيج من الكيمياء المختلفة داخل الصهارة ، بدلاً من تركيبة موحدة.
المرجع: « نظرة ثاقبة لديناميكيات المحيط الصهاري من خصائص النقل للذوبان البازلت » بقلم سوراج ك. باجين ، وآرون وولفجانج أشلي ، ومايناك موخيرجي ، وديبتا ب.غوش وبيجايا ب. كاركي ، 8 ديسمبر 2022 ، اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-022-35171-y
تم تمويل الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية.
