7 دقیقه
شواهد آلیاژهای نیکلغنی محبوس در الماس‌های فوق‌عمیق
الماس‌هایی که از معدن Voorspoed در آفریقای جنوبی بازیابی شده‌اند، شامل ذرات فلزی نیکل-آهن و شمولیته‌های کربناتی غنی از نیکل هستند که مجموعه‌ای از واکنش‌ها را در عمق تقریباً 300 تا 470 کیلومتری زیر سطح زمین ثبت کرده‌اند. دانشمندانی به سرپرستی یائِل کمپه و یعقوب وایس (دانشگاه عبری اورشلیم) آلیاژها و فازهای کربناتی در مقیاس نانو و میکرو را در داخل الماسها شناسایی کردند؛ فازهایی که در گوشتهٔ عمیقِ بالایی و منطقهٔ گذار سطحی شکل گرفتهاند و سپس در الماسها به دام افتاده‌اند. یافتن آلیاژهای نیکلغنی در الماس‌های آفریقای جنوبی، پیش‌بینی‌های طولانی‌مدت دربارهٔ واکنش‌های گوشته را تأیید می‌کند. این شمولیته‌های ریز نشان میدهند که فرآیندهای درون‌زمینی عمیق چگونه هم ماگماها و هم خود الماسها را شکل میدهند و اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ شرایط فیزیکی-شیمیایی آن اعماق ارائه میدهند.
پیش‌زمینهٔ علمی و روش‌ها
گوشتهٔ زمین از نظر شیمیایی دینامیک است: همرفت می‌کند، حامل گازها و مواد فرّار است و بطور مداوم مواد را با پوسته تبادل می‌کند. یکی از پارامترهای کلیدی ولی دشوار در اندازه‌گیری، وضعیت اکسایش-کاهش یا ردوکس گوشته است — توازنی میان گونه‌های اکسیده و احیا شده که پایداری کانی‌ها، گونه‌بندی فرّارها و ترکیب ماگما را کنترل می‌کند. آزمایش‌های فشار-بالا و مدلهای ترمودینامیکی از مدت‌ها پیش پیش‌بینی کرده بودند که آلیاژهای فلزی غنی از نیکل میتوانند در اعماق چند صد کیلومتری پایدار باشند، اما شواهد طبیعی مستقیم تا پیش از این نادر بود یا مبهم مانده بود.
وایس و همکارانش از میکروسکوپ الکترونی پیشرفته و طیف‌سنجی در نانو‌سنتر (دانشگاه عبری) و آزمایشگاه‌های همکار مانند دانشگاه نوادا و دانشگاه کمبریج بهره بردند تا نقشه‌برداری و تحلیل شمولیته‌های نانومتری داخل الماس‌های Voorspoed را انجام دهند. ابزارهایی مانند TEM (میکروسکوپ الکترونی عبوری)، SEM با تحلیل EDS برای ترکیب شیمیایی، و روش‌های طیف‌سنجی الکترونی با رزولوشن بالا برای تعیین فازها و مورفولوژی‌ها به کار رفتند. شمولیته‌های حساس به فشار مانند کوئزیت، فازهای آلومینوسی غنی از پتاسیم و نیتروژن مولکولی جامد به‌عنوان شاخص‌هایی برای محدود کردن عمق تشکیل به حدود 280–470 کیلومتر عمل کردند؛ این شواهد پشتیبان این ایده هستند که مواد به دام‌افتاده منشأیی در گوشتهٔ عمیق دارند و نه در پوستهٔ سطحی یا در شرایط کم‌فشارتر نزدیک سطح.
کشف کلیدی: فریز شدنِ ردوکس و لحظه‌نگاریِ واکنش‌ها
همزیستی فلز نیکل-آهن و کربنات‌های غنی از نیکل درون همان الماس نشاندهندهٔ یک فرایند متاسوماتیک محلی است که به آن «فریز شدنِ ردوکس» (redox-freezing) گفته میشود. در این سناریو، یک مذاب اکسیدهٔ کربناتیتی-سیلیکاتی وارد پرایدوٹیت کاهشیافته و حاوی فلز شده است. آهن بهطور ترجیحی اکسیده و وارد مذاب میشود و در نتیجه فلز باقیمانده در سنگ میزبان نسبتاً غنی از نیکل میشود؛ همزمان کربنات‌های غنی از نیکل و الماس یا از همان مذاب بلورین میشوند یا توسط شرایط احیا کننده به الماس تبدیل می‌گردند. به عبارت دیگر، مهاجرت مذابِ اکسیده به یک محیط کاهشیافته باعث جدایش شیمیایی و تثبیت فازهای متفاوت میشود و الماسها نقش مخازن محافظِ این حالت‌های موقتی را ایفا میکنند.
وایس دربارهٔ این یافته گفت: "این الماسها مانند محفظه‌های زمانی میکروسکپی عمل میکنند" — به این معنا که هم واکنش‌دهنده‌ها و هم محصولات قبل از اینکه فرصت تعادل مجدد با سنگ اطراف را بیابند، در داخل کریستال محبوس شده‌اند. نتیجهٔ این فرایند، اولین تأیید طبیعی آلیاژهای نیکلغنی در عمق‌های پیش‌بینی‌شده توسط تئوری است؛ کشفِ مهمی که مدلهای رفتاری ردوکس گوشته را تأیید و جزئیات واکنش‌های مذاب-سنگ در اعماق را روشن می‌کند. پژوهشگران با بررسی ترکیب دقیق و مورفولوژی این شمولیته‌ها توانستند مسیرهای واکنشی و ترتیب زمانی فرآیندها را نیز بهتر بازسازی کنند، از جمله اینکه چه مقدار آهن به مذاب منتقل شده و چگونه تغییرات محلی در اکسیژن‌فعالیت (fO2) سبب تکوین فازهای متنوع شده است.
پیامدها برای پویایی گوشته و مگماتیسم
این شمولیته‌های ریز پیامدهای گسترده‌ای دارند. وقایع اکسیداسیون موضعی که با نفوذ مذاب همراه‌اند میتوانند جیب‌هایی از گوشته را غنی از فرّارها و کربناتها کنند؛ این حوزه‌های غنی‌شده بعدها توانایی تولید ماگماهای فرّار-دار مانند کیمبرلیت‌ها و لامپروفیرها را پیدا میکنند. ماگماهای غنی از فرّار میتوانند از صدها کیلومتر عمق با سرعت قابل توجهی صعود کنند و الماسها را تا سطح زمین منتقل نمایند؛ از این رو می‌توان پیوندی منطقی بین فرایندهای ردوکس عمیق و تشکیل/انفجار ماگماهای حامل الماس برقرار کرد. این حلقهٔ علّی میان واکنش‌های درونی گوشته و رویدادهای سطحی آتشفشانی اهمیت ژئوشیمیایی و پتانسیل اقتصادی دارد، چون کیمبرلیت‌ها منبع اصلی الماس‌های اقتصادی هستند.
روابط ژئوشیمیایی گسترده‌تر
اگر اکسیداسیون متاسوماتیک دوره‌ای و مکانی باشد، میتواند توضیح دهد چرا برخی از شمولیته‌های الماس‌های فوق‌عمیق فُقَه‌های اکسیژن بالاتری نسبت به گوشتهٔ پیرامونی ثبت میکنند. غنی‌شدن پتاسیم، کربناتها و دیگر عناصر ناسازگار حین رویدادهای ردوکس ممکن است بخش‌های کوچک از گوشته را برای تولید فوران‌های فرّار-غنی و انفجاری آماده کند. این تغییرات محلی در ترکیب شیمیایی گوشته همچنین روی نسبت‌های ایزوتوپی عناصر سبک مانند کربن و اکسیژن اثر می‌گذارند و میتوانند سیگنچرهای ژئوشیمیایی مشخصی را در ماگماهایی که به سطح می‌آیند، به‌جا بگذارند؛ سیگنچرهایی که محققان در نمونه‌های ماگمایی و هسته‌های بازالتی می‌سنجدند تا تاریخچهٔ منابع را بازسازی کنند.
علاوه بر این، حضور فازهای فلزی غنی از نیکل و کربنات‌های نیکل‌دار میتواند تأثیر مهمی بر رسانایی حرارتی و الکتریکی محلی گوشته داشته باشد، که به نوبهٔ خود بر انتقال گرما و رفتار همرفتی تأثیرگذار است. چنین ناهنجاری‌های فازی میتوانند پاسخ‌های لرزه‌ای و خواص فیزیکی محلی را تغییر دهند و برای مدلهای ژئوفیزیکی که ساختار گوشته را بر اساس داده‌های لرزه‌ای و مغناطیسی تفسیر میکنند، اهمیت داشته باشند.
نتیجه‌گیری
الماس‌های Voorspoed یک رکورد نادر و مستقیم از واکنش‌های ردوکس گوشتهٔ عمیق ارائه میکنند و پیش‌بینی‌های بلندمدت دربارهٔ پایداری آلیاژهای غنی از نیکل در اعماق را تأیید میکنند. با محفوظ داشتن هم فازهای فلزی و هم فازهای کربناتی، این الماسها روشن می‌سازند که چگونه تعامل مذاب و سنگ ترکیب شیمیایی گوشته را تغییر میدهد و ذخیره‌های فرّاری را که تولید کیمبرلیت‌ها و دیگر ماگماها را ممکن می‌سازند، شکل میدهد. به‌عنوان محفظه‌های زمانی معدنی، الماسها همچنان پرده از فرایندهای پنهان درون زمین برمی‌دارند و بینش‌هایی ارائه میکنند که نه‌تنها برای درک منشأ الماس مهم است، بلکه برای بازسازی چرخه‌های عناصر، دینامیک گوشته و تاریخ زمین‌شناسی سیاره نیز حیاتی است. پژوهش‌های آتی که روی توزیع جغرافیایی این نوع شمولیته‌ها، همبستگی با منابع ذخیری ماگمایی و مدل‌سازی ترمودینامیکی بیشتر تمرکز کنند، میتوانند ابعاد جدیدی از رفتار گوشته را آشکار سازند و نقش این فرایندها را در تکامل سطح زمین بهتر مشخص کنند.
منبع: sciencedaily
نظرات