يجمع فريق متعدد التخصصات من علماء فيزياء المواد والجيوفيزيائيين بين التنبؤات النظرية والمحاكاة والتصوير المقطعي الزلزالي لإيجاد انتقال الدوران في وشاح الأرض.

باطن الأرض لغز ، خاصة في الأعماق الأكبر (> 660 كم). يمتلك الباحثون فقط صورًا مقطعية زلزالية لهذه المنطقة ، ولتفسيرها ، يحتاجون إلى حساب السرعات الزلزالية (الصوتية) في المعادن في ضغوط ودرجات حرارة عالية. باستخدام هذه الحسابات ، يمكنهم إنشاء خرائط سرعة ثلاثية الأبعاد ومعرفة المعادن ودرجة الحرارة في المناطق المرصودة. عندما يحدث انتقال طور في معدن ، مثل تغير البنية البلورية تحت الضغط ، يلاحظ العلماء تغيرًا في السرعة ، وعادةً ما يكون انقطاعًا حادًا في السرعة الزلزالية.

في عام 2003 ، لاحظ العلماء في أحد المختبرات نوعًا جديدًا من تغير الطور في المعادن – تغير في دوران الحديد في فيروبيريكلاز ، ثاني أكثر المكونات وفرة في الوشاح السفلي للأرض. يمكن أن يحدث تغيير في الدوران ، أو تقاطع الدوران ، في معادن مثل ferropericlase تحت محفز خارجي ، مثل الضغط أو درجة الحرارة. على مدى السنوات القليلة التالية ، أكدت المجموعات التجريبية والنظرية هذا التغيير في الطور في كل من ferropericlase و bridgmanite ، وهي المرحلة الأكثر وفرة من الوشاح السفلي. لكن لم يكن أحد متأكدًا تمامًا من سبب حدوث ذلك أو مكان حدوثه.

يُنظر إلى الصفائح المحيطية الباردة والمنخفضة على أنها مناطق سرعة سريعة في (أ) و (ب) ، ويُنظر إلى صخور الوشاح الصاعدة الدافئة على أنها مناطق سرعة بطيئة في (ج). تنتج اللوحات والأعمدة إشارة تصوير مقطعي متماسكة في نماذج الموجة S ، لكن الإشارة تختفي جزئيًا في نماذج الموجة P. الائتمان: كولومبيا للهندسة

في عام 2006 ، نشرت أستاذة الهندسة بجامعة كولومبيا ، ريناتا وينتزكوفيتش ، أول ورقة بحثية لها عن فيروبيريكلاز ، حيث قدمت نظرية لتقاطع الدوران في هذا المعدن. اقترحت نظريتها حدوث ذلك عبر ألف كيلومتر في الوشاح السفلي. منذ ذلك الحين ، وينتزكوفيتش ، وهو أستاذ في الفيزياء التطبيقية وقسم الرياضيات التطبيقية ، وعلوم الأرض والبيئة ، ومرصد لامونت دوهرتي للأرض في جامعة كولومبيا، نشرت 13 ورقة بحثية مع مجموعتها حول هذا الموضوع ، والتحقيق في السرعات في كل حالة ممكنة لتقاطع الدوران في ferropericlase و bridgmanite ، والتنبؤ بخصائص هذه المعادن خلال هذا التقاطع. في عام 2014 ، توقع Wenzcovitch ، الذي يركز بحثه على الدراسات الميكانيكية الكمومية للمواد في الظروف القاسية ، ولا سيما المواد الكوكبية ، كيف يمكن اكتشاف ظاهرة تغير الدوران هذه في الصور المقطعية الزلزالية ، لكن علماء الزلازل لا يزالون غير قادرين على رؤيتها.

من خلال العمل مع فريق متعدد التخصصات من Columbia Engineering ، فإن جامعة أوسلو، معهد طوكيو للتكنولوجيا ، وشركة إنتل ، أحدث ورقة بحثية لـ Wenzcovitch توضح كيف حددوا الآن إشارة التقاطع الدائرية الحديدية ، وهي مرحلة انتقالية كمومية في عمق الوشاح السفلي للأرض. تم تحقيق ذلك من خلال النظر إلى مناطق محددة في وشاح الأرض حيث من المتوقع أن تتوافر فيروبيريكلاز. نُشرت الدراسة في 8 أكتوبر 2021 ، في اتصالات الطبيعة.

قال وينتزكوفيتش: « هذا الاكتشاف المثير ، الذي يؤكد توقعاتي السابقة ، يوضح أهمية عمل علماء فيزياء المواد والجيوفيزياء معًا لمعرفة المزيد حول ما يحدث في أعماق الأرض ».

يشيع استخدام الانتقال الدوراني في مواد مثل تلك المستخدمة في التسجيل المغناطيسي. إذا قمت بتمديد أو ضغط طبقات قليلة من مادة مغناطيسية بسمك نانومتر ، فيمكنك تغيير الخصائص المغناطيسية للطبقة وتحسين خصائص التسجيل المتوسط. تظهر دراسة Wentzcovitch الجديدة أن نفس الظاهرة تحدث عبر آلاف الكيلومترات في باطن الأرض ، حيث تنتقل من النطاق النانوي إلى المقياس الكلي.

علاوة على ذلك ، أظهرت المحاكاة الجيوديناميكية أن تقاطع الدوران ينشط الحمل الحراري في وشاح الأرض وحركة الصفائح التكتونية. لذلك نعتقد أن هذه الظاهرة الكمومية تزيد أيضًا من تكرار الأحداث التكتونية مثل الزلازل والانفجارات البركانية ، « يلاحظ وينتزكوفيتش.

لا يزال هناك العديد من مناطق الوشاح التي لا يفهمها الباحثون وتغير حالة الدوران أمر بالغ الأهمية لفهم السرعات واستقرار الطور وما إلى ذلك. يواصل وينتزكوفيتش تفسير خرائط التصوير المقطعي الزلزالي باستخدام السرعات الزلزالية التي تنبأ بها البداية الحسابات على أساس نظرية الكثافة الوظيفية. تعمل أيضًا على تطوير وتطبيق تقنيات محاكاة المواد الأكثر دقة للتنبؤ بالسرعات الزلزالية وخصائص النقل ، لا سيما في المناطق الغنية بالحديد أو المنصهر أو في درجات حرارة قريبة من الذوبان.

يقول Wentzcovitch: « الأمر المثير بشكل خاص هو أن طرق محاكاة المواد لدينا قابلة للتطبيق على المواد المترابطة بقوة – متعددة الفيروكهربائية ، والمواد ذات درجات الحرارة العالية بشكل عام ». « سنكون قادرين على تحسين تحليلاتنا للصور المقطعية ثلاثية الأبعاد للأرض ومعرفة المزيد حول كيفية تأثير الضغوط الساحقة لباطن الأرض بشكل غير مباشر على حياتنا فوق سطح الأرض. »

المرجع: « التعبير الزلزالي عن تقاطع الدوران الحديدي في ferropericlase في الوشاح السفلي للأرض » بقلم غريس إ. شيبارد ، كريستين هاوسر ، جون دبليو هيرنلوند ، خوان ج.النسيا-كاردونا ، ريدار ج.ترونس وريناتا إم وينتزكوفيتش ، 8 أكتوبر 2021، اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z