10 دقیقه
اکثر الماسهای طبیعی هنگامی به سطح زمین میرسند که درون سنگهای آذرینی نادری به شکل «هویج» محصور شده باشند که به آن کیمبرلیت گفته میشود. مدلهای رایانهای جدید از دانشگاه اسلو نشان میدهد چگونه مقادیر بسیار کم از اجزای فرار—بهویژه دیاکسید کربن (CO2) و آب (H2O)—ساختار شیمیایی و شناوری کیمبرلیت را تغییر میدهند و در نتیجه تعیین میکنند آیا این ماگماهای منشأ عمیق میتوانند از پوسته عبور کنند و الماسها را به سطح بیاورند یا خیر. این یافتهها نه تنها برای توضیح منشاء و حملونقل الماس اهمیت دارند، بلکه بینشی مهم درباره چرخههای کربن عمیق، پویایی گنبدهای لیتوسفری و مکانیزمهای فورانهای آذرین نادر فراهم میکنند. در ادامه به جزئیات شبیهسازیها، نتایج کمی و پیامدهای زمینشناسی و اکتشافی پرداختهایم.
چرا کیمبرلیتها اهمیت دارند: پنجرهای به عمق درونی زمین
کیمبرلیتها نمونههایی غیرمعمول و ارزشمند در زمینشناسی هستند. این لایههای آذرینی بهصورت لولههای باریک شکل میگیرند که منشأشان در گوشته، بیش از 150 کیلومتر زیر سطح زمین است و اغلب بهصورت انفجاری و با سرعتهایی که میتواند از 80 مایل در ساعت فراتر رود، فوران میکنند. از آنجا که این ماگماها از اعماق بسیار زیاد نمونهبرداری میکنند، قطعاتی از سنگهای گوشته و مواد معدنی گرانبها—از جمله الماسها—را هنگام صعود سریع خود با خود به همراه میآورند. به همین دلیل کیمبرلیتها منبعی منحصربهفرد برای زمینشناسان هستند که میخواهند شرایط فیزیکی و شیمیایی در اعماق زمین، ساختار لیتوسفر قارهای و شرایط پایداری الماس را بررسی کنند.
مطالعه کیمبرلیتها اطلاعاتی درباره مواد و دماهای موجود در گوشتهٔ زیرین (mantle) ارائه میدهد که از طریق روشهای مستقیم قابل دسترسی نیستند؛ بنابراین این سنگها مانند «پرتابکنندهای» عمل میکنند که نمونههایی از لایههای عمیق را به ناحیهای میآورند که میتوان آنها را مطالعه کرد. علاوه بر این، ساختارهای لولهای و مخروطی شکل کیمبرلیت و ویژگیهای فیزیکی مرتبط با فورانهای انفجاری، درک ما را از پویایی ماگمایی عمیق و نقش اجزای فرار در ایجاد فورانهای پرفشار تقویت میکند. برای زمینشناسان اقتصادی هم، پیوند بین کیمبرلیت و ذخایر الماس اهمیت مستقیم برای اکتشاف و ارزیابی ذخایر معدنی دارد.
مدلسازی شیمی فرارها: نقشهای متفاوت CO2 و آب
محققانی به رهبری پژوهشگر دکتری آنا آنزولوویچ از روشهای دینامیک مولکولی و مدلسازی شیمیایی استفاده کردند تا رفتار مذابهای «والد» یا «پروتو-کیمبرلیت» را در حین صعود از گوشته به سمت لیتوسفر و پوسته بازسازی کنند. نمونه موردی این پژوهش، کیمبرلیت جریکو در کراتون اسلیو کانادا بود—یک مورد مستندسازی شده که به عنوان مطالعهای واقعگرایانه برای آزمون محتوای فرارها مناسب است. در این شبیهسازیها مقدار CO2 و H2O در مذاب تغییر داده شد و پارامترهای کلیدی مانند چگالی، ویسکوزیته (گرانروی)، و ضریب نفوذ (diffusivity) دنبال شد تا بودجهٔ دقیق فرار لازم برای یک فوران موفق کمیسازی شود.
نتایج نشان میدهد آب و دیاکسیدکربن نقشهای مکملی در رفتار مذاب دارند. آب باعث افزایش ضریب نفوذ مولکولی و یونها میشود و عملکردی شبیه روانساز دارد که از تبلور پیش از موعد جلوگیری کرده و مذاب را قابلجریان نگه میدارد؛ بهعبارت دیگر H2O ویسکوزیتهٔ مؤثر را کاهش داده و امکان حمل سریعتر ذرات و بلورچهها را فراهم میآورد. از سوی دیگر، CO2 در عمق به ساختار شبکهای مذاب کمک میکند و چگالی کلی آن را نسبت به پیرامون پرهدوتیت کاهش میدهد؛ سپس هنگام نزدیک شدن به سطوح کمتر با کاهش فشار از حالت حلشده خارج شده و به صورت گاز آزاد میشود (degassing) که نیروی شناوری انفجاری لازم برای جهش و فوران را تأمین میکند. به بیان خلاصه: آب موجب تداوم جریان ماگما میشود و CO2 باعث کاهش چگالی و در نهایت تأمین نیروی محرکهٔ انفجاری میگردد.
چه میزان CO2 کافی است؟
یکی از نتایج کمّی برجستهٔ مقاله، تعیین آستانهای برای سیستم جریکو است: مذاب والد باید حداقل در حدود 8.2٪ CO2 داشته باشد تا بتواند شناور باقی بماند و از طریق لیتوسفر قارهای ضخیم صعود کند و فوران نماید. در صورت نبود چنین کسر فراری، مذاب مدلشده چگالتر از گوشتهٔ اطراف شده و متوقف میشود؛ در این شرایط الماسها در عمق گرفتار میمانند و تحت شرایط فشار-دما ممکن است دوباره به گرافیت تبدیل شوند که برای بقا و استخراج الماس زیانبار است. این عددِ آستانه نشان میدهد که حتی تغییرات نسبی کم در ترکیب فرارها میتواند سرنوشت کامل یک فوران و قابلیت انتقال مواد گوشتهای را تعیین کند.
حتی با مقدار نسبتاً متواضع CO2، مذاب قادر است مقادیر قابلتأملی از سنگهای گوشته را بهصورت زینولیتها (xenoliths) و زینوکریستها (xenocrysts) به همراه ببرد: در مدلهایی که بیشترین محتواهای فرار را داشتند، تا 44٪ از حجم مذاب میتوانست شامل پرهدوتیت گوشته بهصورت قطعات در برگیرنده باشد. این توازن بین ویسکوزیتهٔ پایین—که امکان جریان سریع را فراهم میکند—و شناوری ناشی از فرارها—که امکان صعود را میدهد—پاسخ میدهد که چرا فورانهای کیمبرلیت هم سریع و هم بهطرز خشنی انفجاری هستند؛ زیرا ترکیبِ جریان روان با آزادسازی ناگهانی گازها (بهویژه CO2) انرژی عظیمی را بهصورت فشار و انفجار آزاد میکند.
چرا صعود سریع برای الماسها حیاتی است
پایداری الماس وابسته به فشار و دما است. در اعماق گوشته که فشار و دما در محدودهای خاص قرار دارند، الماس پایدار است؛ اما هنگام کاهش فشار و تغییرات دمایی به سطوح کمتر، نسبت پایداری نسبت به گرافیت تغییر کرده و الماس میتواند تبدیل به گرافیت شود. سرعت صعود کیمبرلیت تعیینکننده است: یک کیمبرلیت که سریع و سرشار از فرارها صعود میکند میتواند الماسها را قبل از تبدیل شدن به گرافیت به سطح برساند. به همین دلیل مشاهدات میدانی نشان میدهد بیش از 70٪ الماسهای طبیعی استخراجشده از رسوبات یا ذخایر میزبان کیمبرلیت منشأ گرفتهاند—یک شواهد تجربی قوی که بر اهمیت صعود سریع ماگمایی برای حفظ و حفاظت الماس تأکید میکند.
از منظر زمینفیزیک و پترولوژی، این یافتهها نشان میدهد که نه تنها ترکیب شیمیایی مذاب اهمیت دارد، بلکه نرخ صعود و نحوهٔ انتقال گرما و فشار در امتداد لولهٔ فوران نیز نقشی حیاتی در بقای بلورها و فازهای حساس دارند. در واقع، برای بقا و انتقال الماس، ترکیبی از شرایط لازم است: محتوای فرار مناسب (برای شناوری و انفجار)، ویسکوزیتهٔ پایین (برای جریان سریع) و مسیرهای ساختاری مناسب در لیتوسفر و پوسته که امکان عبور لولهای را فراهم کنند.
معدن الماس
پیامدهای گستردهتر و پژوهشهای آینده
این روش مدلسازی پل مهمی بین تعاملات اتمی و فرایندهای زمینشناسی در مقیاس بزرگ ایجاد میکند. با محدود کردن نسبتهای فرار در مذابهای والد، دانشمندان میتوانند بهتر پیشبینی کنند کدام رویدادهای ماگمایی باستانی قادر به انتقال مواد گوشتهای عمیق به سطح بودهاند. این موضوع پیامدهایی فراتر از الماس دارد: کمک میکند تا توضیح دهیم چگونه ماگماهای غنی از فرارها، کربن عمیق را به سطح میآورند، چگونه کراتونها (cratons) در طول زمان تکامل مییابند و چرا فورانهای کیمبرلیت در فضا و زمان بسیار نادر و منطقهای هستند.
در سطح اکتشافی و منابع معدنی، قیدهای دقیقتر در مورد فشار-دما-ترکیب فرارها میتواند پنجرههایی را نشان دهد که احتمال تولید فورانهای حامل الماس در آنها بیشتر است؛ این موضوع میتواند ابزار جدیدی برای هدایت اکتشاف الماس و ارزیابی پتانسیل ذخایر فراهم کند. مطالعات آینده احتمالاً شبیهسازیهای پیشرفته را با تحلیلهای ژئوشیمیایی زینولیتها و کارهای ایزوتوپی ترکیب خواهند کرد تا برآوردهای فرار در کراتونهای مختلف دقیقتر گردد. این رویکردهای ترکیبی همچنین میتوانند به تعیین منشأ زمانی و مکانی فورانها، مسیرهای صعود ماگما و تغییرات در منابع کربن عمیق کمک کنند.
علاوه بر این، پژوهشهای آینده ممکن است به بررسی نقش دیگر گازها و عناصر فرار—از جمله نیتروژن، گوگرد و گونههای هیدروکربنی—بپردازند تا نقش جامعتری از بودجهٔ فرارها ارائه دهند. کارهای تجربی ترمودینامیک و آزمایشگاههای فشار-دما بالا میتوانند پارامترهای مدلها را اعتبارسنجی کنند و مشاهدات میدانی از میدانهای کیمبرلیتی مختلف (مثلاً آفریقا، روسیه و کانادا) میتواند تنوع ژئوشیمیایی و ساختاری این پدیده را روشن سازد.
دیدگاه کارشناسی
«مدلسازی به ما پیوند گمشده بین آنچه در سطح میبینیم و شیمی نامرئی در اعماق را میدهد»، میگوید دکتر اِولین مرسر، پتروژیست که در این مطالعه مشارکت نداشته است. «کمّیسازی بودجهٔ CO2 و H2O نشان میدهد چرا تنها تعداد اندکی از مذابها تبدیل به کیمبرلیتهای فورانی میشوند—اکثر مذابها پیش از رسیدن به پوسته متوقف و بلورین میگردند.» این نظر تخصصی بر این نکته تأکید میکند که حتی تغییرات جزئی در ترکیب (در حد چند درصد فرار) میتواند نتایج زمینشناسی عظیم و تعیینکنندهای ایجاد کند.
نتایج مطالعه همچنین یک واقعیت بزرگتر دربارهٔ دینامیک زمین را برجسته میکند: تغییرات کوچک در ترکیب شیمیایی—تنها درصدهایی از فرارها—قادرند رویدادهای پرفوران و شکلدهندهٔ سیاره را کنترل کنند. برای کیمبرلیتها، ترکیب درست CO2 و H2O میتواند یک مذاب معمولی را به یک «آسانسور انفجاری» تبدیل کند که برای مدت کوتاهی مجرایی بین گوشتهٔ عمیق سیاره و سطح آن باز میکند. این مجراها نه تنها مواد معدنی گرانبها را منتقل میکنند، بلکه میتوانند نقش مهمی در چرخهٔ جهانی کربن و انتقال عناصر سنگین بازی کنند، و به ما در درک فرآیندهای تکاملی سیارهای کمک نمایند.
در پایان، این پژوهش نشان میدهد که ترکیبی از شبیهسازیهای نظری، آزمایشهای آزمایشگاهی و دادههای میدانی برای درک کامل پدیدهٔ پیچیدهٔ کیمبرلیت و نقش آن در انتقال الماس و کربن عمیق ضروری است. چنین ترکیبی از روشها میتواند راهنماییهای ارزشمندی برای زمینشناسان، اکتشافیها و پژوهشگران چرخهٔ کربن فراهم آورد.
منبع: scitechdaily
نظرات
وی۸رایدر
حس میکنم یه ذره اغراق تو تاکید روی درصدها هست، طبیعت پیچیدهست و متغیرای دیگه هم تو بازی ان؛ با این حال مطالعات مفیده، اما نه همهچیزو توضیح میده
کوینتون
خوب جمعبندی شده، پیوند مقیاس اتمی تا ماگمایی قشنگه. اما هنوز باید کارهای آزمایشگاهی بیشتری شه، ایزوتوپها میتونن خیلی چیزا روشن کنن
پمپزون
من تو پروژهای مشابه دیدم, زینولیتها واقعا سنگین میفتن اما اگه گاز باشه، همه چی جابجا میشه، rapid rise، لحظهایه، البته جزئیات زیادی رو باید آزمایش کنن..
رضا
این 8.2٪ CO2 رو چطوری محاسبه کردن؟ شبیهسازی کافیه یا باید نمونهبرداری میدانی داشته باشیم؟
لابکور
وااااو، هرچی میخونم بیشتر شگفتزده میشم! اینکه چند درصد CO2 میتونه فرق بین الماس و گرافیت باشه... یعنی طبیعت خشن و دقیق. اگه دادهها محکمه، عجب نتیجهای
ارسال نظر