10 دقیقه
در عمق پوستهٔ زمین، دماهایی فراتر از 900°C شیمی و مکانیک سیاره را بازتنظیم کردند و اولین قارههای پایدار را پدید آوردند. پژوهش جدیدی از دانشگاه پناستیت و دانشگاه کلمبیا این گرمایش بسیار زیاد را به مهاجرت رو به بالای عناصر رادیواکتیو پیوند میدهد — فرایندی که هم پوستهٔ پایینی را خنک کرد و هم مواد معدنیای را که اکنون تکنولوژی بهدنبال آنهاست، متمرکز ساخت.
کورهای پنهان زیر پای ما
برای میلیاردها سال، قارههای زمین صحنهٔ کوهها، زیستبومها و تمدنهای انسانی بودهاند. با این حال، دانشمندان مدتهاست بر سر این موضوع بحث داشتهاند که چگونه پوستهٔ قارهای در طول زمان زمینشناسی تا این حد مقاوم و پایدار شد. مطالعهٔ جدیدی که در Nature Geoscience منتشر شده و توسط اندرو اسمای (Andrew Smye) از پناستیت با همنویسندگی پیتر کلممن (Peter Kelemen) از دانشگاه کلمبیا هدایت شده است، به یک پاسخ نسبتاً ساده اما شدید اشاره میکند: پوستهٔ پایینی باید بسیار داغ میشد — داغتر از آنچه پیشتر تصور میشد.
براساس یافتههای پژوهشگران، دماها در بخشهایی از پوستهٔ پایینی فراتر از 900°C افزایش یافت. در این حد از دما، برخی کانیها ذوب یا متحرک میشوند و نیروهای تکتونیکی ساختار سنگ را بازچینی میکنند. نکتهٔ حیاتی این است که عناصر پرکنندهٔ گرما مانند اورانیوم، توریم و پتاسیم در این دورههای دمایی بسیار بالا (Ultra-High-Temperature یا UHT) شروع به مهاجرت رو به بالا کردند. با انتقال این عناصر به سطوح کمتر عمق و با فروپاشی رادیواکتیو آنها، گرما نزدیکتر به سطح آزاد شد و بدین ترتیب امکان خنک شدن، بلورین شدن و در نتیجه سختتر شدن بخشهای عمیق پوستهٔ پایین فراهم آمد. نتیجه: ریشههای قارهای که توان مقاومت در برابر فرسایش و همزدگی مداوم صفحات تکتونیکی را داشتند.
«قارههای پایدار پیشنیاز زیستپذیری هستند، اما برای اینکه به آن پایداری برسند، باید خنک شوند»، اسمای گفت. «برای خنک شدن، باید همهٔ این عناصر تولیدکنندهٔ گرما — اورانیوم، توریم و پتاسیم — را به سمت سطح حرکت داد، چون اگر این عناصر عمیق بمانند، گرما تولید میکنند و پوسته را ذوب میسازند.» این توضیح، رابطهٔ مستقیم میان دمای بسیار بالا، مهاجرت عناصر رادیواکتیو و تثبیت ساختار قارهها را برجسته میکند؛ پیوندی که هم برای فهم تکامل حرارتی-شیمیایی پوسته و هم برای استراتژیهای اکتشاف مواد معدنی اهمیت دارد.
مطالعهٔ تاریخچهٔ سنگها: چگونه دانشمندان فرضیه را آزمودند
برای آزمودن این فرضیه، تیم پژوهشی صدها نمونهٔ سنگ متاسدیمانتری (metasedimentary) و متایگنئوس (metaigneous) را از بخشهای بسیار جداشدهٔ پوسته، از جمله آلپ و نواحی جنوبغربی ایالات متحده، تحلیل کردند. این سنگها ثبت فشارهـا و دماهای اوجی را که در حالیکه عمدتاً جامد بودهاند تحمل کردهاند، حفظ کردهاند — نشانهای کلیدی از متامورفیسم. با دستهبندی نمونهها در گروههای دمای بالا (HT) و دمای فوقالعاده بالا (UHT)، پژوهشگران توانستند مقایسهای از تغییرات غلظت عناصر با شدت متامورفیسم انجام دهند و روندهای ژئوشیمیایی مرتبط با دما را شناسایی کنند.
الگوی آشکار چه بود؟ سنگهایی که دماهای بالاتر از تقریباً 900°C را تجربه کردهاند، بهطور مداوم دارای غلظتهای بسیار کمتری از اورانیوم و توریم نسبت به آنهایی بودند که تنها تا 650–800°C گرم شده بودند. این کاهش غلظت با بازتوزیع رو به بالای عناصر تولیدکنندهٔ گرما در دورههای UHT تطابق دارد. بهعبارت دیگر، قسمتهای داغتر مانند یک تقطیر سیارهای عمل کردند: پوستهٔ عمیق «سوخت» رادیواکتیو خود را به سمت بالا رها کرد و در نتیجه سرد و سخت شد — روندی که برای ایجاد یک ریشهٔ قارهای مقاوم ضروری بود.
برای قراردادن اعداد در زمینهٔ مناسب، گرادیانهای زمینی معمول — نرخ افزایش دما با عمق — حدود 20°C به ازای هر کیلومتر است. با توجه به اینکه ریشههای قارهای پایدار معمولاً به ضخامت 30–40 کیلومتر هستند، دماهای 900°C در اعماق مذکور معمول نیستند. نویسندگان اشاره میکنند که در تاریخ اولیهٔ زمین، بخشهای درونی سیاره گرمتر بوده و فراوانی عناصر رادیواکتیو در آن زمان تقریباً دو برابر مقادیر کنونی بوده است، که دستیابی به شرایط UHT را در بازهٔ حساس حدود 3 میلیارد سال پیش — زمانی که پوستهٔ قارهای مدرن شکل میگرفت — آسانتر میساخت. این نکته با شواهد ژئودینامیکی و شیمیایی ترکیب میشود تا تصویر یک محیط داخلی فعال و پرانرژی را در مراحل اولیهٔ تاریخ سیاره نشان دهد.
چرا این موضوع اهمیت دارد: مواد معدنی، اکتشاف و زیستپذیری سیارات
پیامدهای آهنگری قارهها در دماهای بسیار بالا فراتر از زمینشناسی محض است. وقتی اورانیوم، توریم و پتاسیم متحرک میشوند، کانیهای میزبان آنها اغلب نابود شده یا دگرگون میشوند و عناصر ارزشمند دیگری را آزاد میکنند — لیتیم، قلع، تنگستن و عناصر نادر خاکی (rare earth elements) از جملهٔ این عناصر هستند. اینها همان مواد حیاتی (critical minerals) هستند که اکنون برای ساخت باتریها، الکترونیک و زیرساختهای انرژی تجدیدپذیر جستجو میشوند؛ بنابراین درک فرایندهای UHT بهطور مستقیم به استراتژیهای اکتشاف معدنی و سیاستهای تأمین منابع راهبردی مربوط است.
«اگر شما کانیهایی که اورانیوم، توریم و پتاسیم را میزبان هستند ناپایدار کنید، در واقع مقدار زیادی عناصر نادر خاکی را نیز آزاد میکنید»، اسمای اشاره کرد و پیشنهاد داد که دورههای UHT ممکن است ردشیمیاییهایی برجای بگذارند که برای اکتشاف معدنی مدرن مفید باشند. نواحیای که گرمایش عمیق و سپس خنکشدن را تجربه کردهاند ممکن است اهداف مناسبی برای یافتن ذخایر متمرکز فلزات حیاتی باشند؛ این میتواند در کشف کانسارهای لیتیم، تنگستن یا عناصر کمیاب نادر خاکی موثر باشد.
فراتر از نقشهبرداری منابع، مطالعه چشماندازی گستردهتر سیارهای ارائه میدهد. قارههای پایدار نقش مهمی در حفظ محیطهای زیستپذیر بلندمدت دارند، زیرا از خشکیهای پایدار، سیستمهای آب شیرین و چرخههای جوی پشتیبانی میکنند. بازتوزیع رو به بالای عناصر تولیدکنندهٔ گرما ممکن است یک مکانیسم عمومی در سیارات سنگی باشد: جهانهایی که قادر به دستیابی به گرمایش عمیق و سپس رهایی گرمای رادیواکتیو به سمت بالا باشند، میتوانند پوستههایی بلندمدت و مستحکم بسازند که برای پشتیبانی از حیات مناسبترند. بنابراین، زمینشناسان سیارهای که به دنبال سیارات فراخورشیدی قابل سکونتاند، ممکن است به دنبال نشانههای غیرمستقیم از دینامیک داخلی مشابه در گذشتهٔ یک سیاره بگردند — سرنخهایی که با سنجش ترکیب پوسته، تحلیل طیفی و مدلسازی گرمایی قابل پیگیریاند.
اسمای و همکارانش تاکید دارند که مدلهای پیشین میزان دمای لازم در بخشهایی از پوستهٔ پایینی را دستکم گرفته بودند. «ما در حقیقت یک دستور پخت جدید برای ساخت قارهها پیدا کردیم: آنها باید بسیار داغتر شوند تا آن چیزی که قبلاً تصور میکردیم، حدود 200 درجه یا بیشتر»، اسمای گفت. او این فرایند را با آهنگری فولاد مقایسه کرد — گرما و تغییر شکل ساختار را همراستا میکنند، فازهای ضعیف را حذف میکنند و سختی و مقاومت را تولید میسازند. فشردهشدن تکتونیکی و بلندیسازی کوهها در شرایط UHT عملاً قارهها را به همان شیوهٔ آهنگری شکل دادهاند.
آنچه دادهها میگویند: سازگاری در مکانهای مختلف
یکی از جنبههای برجستهٔ مطالعه، یکنواختی این سیگنال در استانهای زمینشناسی بسیار متفاوت است. پژوهشگران توصیف میکنند که الگوی مشابه — سنگهای UHT که از اورانیوم و توریم تهی شدهاند — را در نمونههایی از چندین قاره یافتهاند. این تکرار سیگنال، استدلال را تقویت میکند که مهاجرت رو به بالای رادیونوکلوئیدها در هنگام گرمایش بسیار شدید یک مکانیزم جهانی است و نه یک پدیدهٔ محلی یا اتفاقی.
روشهای تحلیلی شامل سنجشهای ژئوشیمیایی و ترمومتری متامورفیک بود که دماهای اوج را از تعادلهای معدنی تخمین میزنند. ترکیب تحلیلهای آزمایشگاهی جدید با دههها دادهٔ منتشرشده به تیم اجازه داد تا مجموعهدادهٔ گستردهای را تشکیل دهد که لیتولوژیها و تاریخچههای تکتونیکی مختلف را دربرمیگرفت. وسعت شواهد به نویسندگان کمک کرد تا از یک مکانیسم محتمل فراتر روند و آن را به یک مدل زمینشناسی قوی برای تثبیت قارهها تبدیل کنند؛ مدلی که ترکیبی از دادههای میکروژئوشیمی، ترموبارومتری و شواهد میدانی است.
دیدگاه کارشناسان
«این پژوهش نحوهٔ تفکر ما را دربارهٔ تکامل حرارتی و شیمیایی پوستهٔ زمین بازتعریف میکند»، دکتر النا اورتیز، زمینشناس سیارهای (نمونهٔ فرضی) که مطالعات مقایسهای سیارات را دنبال میکند، اظهار داشت. «اگر متحرکشدن عناصر رادیواکتیو بر پایهٔ گرما یک مسیر رایج برای ساخت ریشههای قارهای مقاوم باشد، این یک محور قابل آزمون برای مقایسهٔ سیارات فراهم میآورد. روی زمین، این فرایند هم استحکام پوسته و هم تمرکز مواد معدنی حیاتی را توضیح میدهد؛ در دیگر دنیاها، ممکن است تفاوت بین دشتهای بازآتشفشان کوتاهعمر و قارههای تکتونیکی مقاوم را رقم بزند.» این نظر کارشناسی دیدی میانرشتهای ارائه میدهد که مسئلهٔ UHT را به ژئوشیمی، ژئوفیزیک و اکتشاف معدنی پیوند میزند.
چشماندازهای آتی: اکتشاف، مدلسازی و فرستشهای سیارهای
در گامهای بعدی، مطالعه چندین مسیر علمی و کاربردی را میگشاید. شرکتهای اکتشاف معدنی میتوانند استراتژیهای هدفگیری خود را با جستوجوی ترانههای زمینشناسی دارای شواهد متامورفیسم UHT و غنای بعدی عناصر نادر بهینه کنند. مدلسازان ژئودینامیک پارامترهای دمایی بالاتری را در شبیهسازیهای شکلگیری پوسته، ساخت کوه و حرکت جفتشدهٔ عناصر تولیدکنندهٔ گرما وارد خواهند کرد تا رفتارهای بلندمدت سیستمهای پوستهای را بهتر پیشبینی کنند.
در بخش سیارهای، مأموریتهایی که ساختار زیرسطحی را بررسی میکنند — چه از طریق شبکههای لرزهای در دیگر سیارات و چه با سنجش از راه دور ترکیب پوسته — میتوانند به دنبال نشانههایی باشند که با گرمایش عمیق گذشته و مهاجرت عناصر سازگار باشد. چنین شواهدی بعد ارزندهای به ارزیابیهای زیستپذیری برای اجرامی شبیه مریخ یا سیارات سنگی فراخورشیدی اضافه میکند و میتواند فاکتوری جدید در رتبهبندی سیارات امیدوارکننده برای زندگی باشد.
این پژوهش که توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده حمایت شده و در Nature Geoscience منتشر شده است، بنابراین بینش فنی پتروژنز متامورفیک را به موضوعات کلان پیوند میدهد: چگونه زمین به سیارهای پایدار و پشتیبان حیات تبدیل شد و چگونه «لولهکشی شیمیایی» در اعماق سیاره منابع و شرایطی را ایجاد کرد که امروز بر آنها تکیه داریم. درک بهتر مکانیزمهای UHT نهتنها برای زمینشناسی تاریخی و اکتشاف مواد معدنی حیاتی مهم است، بلکه برای تعریف معیارهای جدید در جستوجوی سیارات قابل سکونت نیز کاربرد دارد. در نتیجه، این کار تحقیقاتی مرزی بین ژئوشیمی، ژئوفیزیک و علوم سیارهای را پرنور میسازد و راه را برای مطالعات آینده و برنامهریزی اکتشافی هموار میکند.
منبع: sciencedaily
ارسال نظر