در اعماق زمین، تقریباً سه هزار کیلومتر زیر سطح، لایه‌ای مرموز قرار دارد که در آن امواج لرزه‌ای به‌طور غیرمنتظره‌ای شتاب می‌گیرند. برای دهه‌ها، دانشمندان در مورد این لایه موسوم به ʺD (دی دابل پرایم) سردرگم بودند. اکنون، آزمایش‌های پیشگامانه‌ای توسط دانشگاه ETH زوریخ نشان داده‌ است که سنگ جامد در اعماق زمین به شکل مایع جریان پیدا می‌کند.

این جریان افقی در گوشته، بلورهای معدنی به نام «پُست‌پِرووسکایت» را در یک جهت مشخص ردیف می‌کند که همین امر رفتار عجیب امواج لرزه‌ای را توضیح می‌دهد. این کشف، جهشی چشمگیر در درک ما از مکانیک درونی زمین است و معمایی دیرینه را به نقشه‌ای زنده از جریان‌های پنهان زیرزمینی تبدیل می‌کند؛ جریان‌هایی که آتشفشان‌ها، زمین‌لرزه‌ها و حتی میدان مغناطیسی زمین را نیرو می‌بخشند.

زمین‌لرزه‌ها، فوران‌های آتشفشانی، و حرکت صفحه‌های تکتونیکی — همه این‌ها نشانه‌هایی هستند از اینکه سیاره ما زنده است. اما آنچه در اعماق زمین کشف شده، دانشمندان و افراد عادی را به یک اندازه شگفت‌زده کرده است: تقریباً ۳۰۰۰ کیلومتر زیر سطح زمین، سنگ جامدی با رفتار مایع‌گونه جریان دارد که نه مایع است (مانند گدازه) و نه شکننده (مانند سنگ معمولی). این یافته توسط پژوهشی تازه از سوی زمین‌شناسان به رهبری «موتوهیکو موراکامی»، استاد فیزیک تجربی مواد معدنی در دانشگاه ETH زوریخ، ارائه شده است.

نیم‌قرن حدس و گمان در حل راز هسته زمین

برای بیش از ۵۰ سال، پژوهشگران درگیر معمای ناحیه‌ای عجیب در اعماق زمین بودند — لایه‌ای موسوم به ʺD در عمق حدود ۲۷۰۰ کیلومتری زیر پای ما. در این ناحیه، ناگهان سرعت امواج زلزله تغییر می‌کند، گویی از میان ماده‌ای متفاوت عبور می‌کنند. اینکه دقیقاً در این لایه از گوشته چه رخ می‌دهد، برای مدت طولانی مشخص نبود.

در سال ۲۰۰۴، موراکامی که از سال ۲۰۱۷ استاد دانشگاه ETH زوریخ است، کشف کرد که پرووسکایت، که ماده معدنی اصلی گوشته پایینی زمین است، در نزدیکی لایه ʺD تحت فشار و دمای بسیار بالا به ماده‌ای جدید به نام پست‌پرووسکایت تبدیل می‌شود.

در آن زمان، پژوهشگران تصور کردند این دگرگونی معدنی می‌تواند تغییرات سرعت امواج لرزه‌ای را توضیح دهد. اما این تمام ماجرا نبود. در سال ۲۰۰۷، موراکامی و همکارانش شواهدی یافتند که نشان داد تنها دگرگونی فازی پرووسکایت برای تسریع امواج زلزله کافی نیست.

آن‌ها با استفاده از یک مدل رایانه‌ای پیشرفته به کشف مهمی رسیدند: بسته به جهت‌گیری بلورهای پست‌پرووسکایت، سختی این ماده معدنی تغییر می‌کند. فقط زمانی که تمام بلورها در یک جهت خاص قرار می‌گیرند، سرعت امواج لرزه‌ای در مدل افزایش می‌یابد — درست مانند آنچه در لایه ʺD در عمق ۲۷۰۰ کیلومتری مشاهده می‌شود.

موراکامی اثبات کرد که بلورهای پست‌پرووسکایت واقعاً در شرایط فشار و دمای فوق‌العاده بالا در یک جهت مشخص قرار می‌گیرند. آن‌ها در این آزمایش سرعت امواج لرزه‌ای را اندازه‌گیری کردند و توانستند همان جهش سرعت مشاهده‌شده در لایه ʺD را در محیط آزمایشگاهی بازسازی کنند. موراکامی می‌گوید: «ما سرانجام آخرین قطعه‌ی پازل را یافتیم.»

جریان گوشته زمین، بلورها را هم‌راستا می‌کند

سؤال بزرگ این است: چه چیزی باعث می‌شود این بلورها هم‌راستا شوند؟ پاسخ این است که سنگ جامد گوشته در پایین‌ترین لایه‌ گوشته زمین به‌صورت افقی جریان می‌یابد. پژوهشگران مدت‌هاست به چنین حرکتی — که شبیه همرفت در آب در حال جوش است — مشکوک بوده‌اند، اما تاکنون نتوانسته بودند آن را مستقیماً اثبات کنند.

آغاز فصلی نو در پژوهش‌های زمین‌شناسی

موراکامی و همکارانش اکنون به‌صورت تجربی نیز نشان داده‌اند که همرفت در گوشته — جریان یافتن سنگ جامد — واقعاً در مرز بین هسته و گوشته زمین وجود دارد. یعنی سنگ جامد، نه مایع، در آن عمق به‌آرامی ولی پیوسته جریان دارد. موراکامی توضیح می‌دهد: «این کشف نه‌تنها معمای لایه ʺD را حل می‌کند، بلکه دریچه‌ای به دینامیک درون زمین می‌گشاید.»

این کشف نه‌تنها یک دستاورد مهم، بلکه نقطه‌ی عطفی در علوم زمین محسوب می‌شود. نظریه‌ی جریان سنگ جامد، اکنون از یک فرضیه به یک واقعیت تبدیل شده است. موراکامی می‌گوید: «کشف ما نشان می‌دهد که زمین نه‌تنها در سطح، بلکه در اعماق خود نیز فعال است.»

اکنون با این دانش، پژوهشگران می‌توانند به ترسیم جریان‌ها در اعماق زمین بپردازند و به این ترتیب، موتور نامرئی‌ای را که آتشفشان‌ها، صفحه‌های تکتونیکی، و شاید حتی میدان مغناطیسی زمین را به حرکت درمی‌آورد، به تصویر بکشند. این مطالعه به‌تازگی در مجله «Communications Earth & Environment» منتشر شده است.

همچنین بخوانید: هرآنچه باید درباره زمین بدانید