أثارت التجارب الجديدة تساؤلات حول التفسير الشائع للخصائص التي تؤدي إلى نشوء الأرض الجافة.
على الرغم من كونه عاملاً حاسمًا في جعل الأرض مكانًا مضيافًا للحياة مقارنة بالكواكب الأخرى في النظام الشمسي ، إلا أن الأصول والخصائص الفريدة للقارات ، والأجزاء الضخمة من قشرة الكوكب ، لا تزال غامضة إلى حد كبير.دراسة حديثة أجرتها إليزابيث كوتريل ، عالمة الجيولوجيا البحثية وأمينة الصخور في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي ، وميغان هوليكروس ، زميلة بيتر باك وزميلة مؤسسة العلوم الوطنية في المتحف والآن أستاذ مساعد في جامعة كورنيل ، لديها طور معرفتنا بقشرة الأرض من خلال اختبار ودحض نظرية واسعة الانتشار تتعلق بمحتوى الحديد المنخفض ومستويات الأكسدة الأعلى للقشرة القارية مقارنة بالقشرة المحيطية.
يُعد التركيب الفقير للحديد في القشرة القارية سببًا رئيسيًا وراء وقوف أجزاء شاسعة من سطح الأرض فوق مستوى سطح البحر كأرض جافة ، مما يجعل الحياة الأرضية ممكنة اليوم.
تستخدم الدراسة ، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة Science ، تجارب معملية لإظهار أن الكيمياء المؤكسدة المستنفدة للحديد النموذجية للقشرة القارية للأرض لم تأت على الأرجح من تبلور العقيق المعدني ، كتفسير شائع تم اقتراحه في عام 2018 .
تنطلق اللبنات الأساسية للقشرة القارية الجديدة من أعماق الأرض في ما يعرف بالبراكين القارية القوسية ، والتي توجد في مناطق الاندساس حيث تغوص صفيحة محيطية تحت صفيحة قارية. في تفسير العقيق لحالة الحديد المستنفد والمؤكسد للقشرة القارية ، فإن تبلور العقيق في الصهارة تحت هذه البراكين القارية يزيل الحديد غير المؤكسد (المختزل أو الحديدي ، كما هو معروف بين العلماء) من الصفائح الأرضية ، مما يؤدي إلى استنفاد الحديد في نفس الوقت. الصهارة المنصهرة للحديد وتركها أكثر أكسدة.
صورة مجهرية من تجربة أجريت لهذه الدراسة. تحتوي الصورة على زجاج (بني) وعقيق كبير (وردي) وبلورات معدنية صغيرة أخرى. يبلغ عرض مجال الرؤية 410 ميكرون ، أي بحجم بلورة السكر. الائتمان: جي ماكفيرسون وإي.كوتريل ، سميثسونيان
تتمثل إحدى النتائج الرئيسية لانخفاض محتوى الحديد في القشرة القارية للأرض بالنسبة إلى القشرة المحيطية في أنها تجعل القارات أقل كثافة وأكثر ازدهارًا ، مما يتسبب في ارتفاع الصفائح القارية فوق غطاء الكوكب من الصفائح المحيطية. هذا التناقض في الكثافة والطفو هو سبب رئيسي في أن القارات تتميز بأرض جافة بينما تكون قشور المحيطات تحت الماء ، وكذلك سبب ظهور الصفائح القارية دائمًا في الأعلى عندما تقابل الصفائح المحيطية في مناطق الاندساس.
كان تفسير العقيق لاستنفاد الحديد والأكسدة في القوس القاري للصهارة مقنعًا ، لكن كوتريل قالت إن جانبًا واحدًا منه لم يكن مناسبًا لها.
قالت: "أنت بحاجة إلى ضغوط عالية لجعل العقيق مستقرًا ، وتجد هذه الصهارة منخفضة الحديد في الأماكن التي لا تكون فيها القشرة سميكة ، وبالتالي فإن الضغط ليس مرتفعًا للغاية".
في عام 2018 ، شرعت كوتريل وزملاؤها في إيجاد طريقة لاختبار ما إذا كانت تبلور العقيق في العمق تحت هذه البراكين القوسية ضروريًا بالفعل لعملية تكوين قشرة قارية كما هو مفهوم. لتحقيق ذلك ، كان على كوتريل وهوليكروس إيجاد طرق لتكرار الحرارة الشديدة والضغط لقشرة الأرض في المختبر ، ثم تطوير تقنيات حساسة بما يكفي ليس فقط لقياس كمية الحديد الموجودة ، ولكن للتمييز بين تأكسد هذا الحديد .
لإعادة إنشاء الضغط الهائل والحرارة الموجودين تحت براكين القوس القاري ، استخدم الفريق ما يسمى مكابس الأسطوانات المكبسية في معمل الضغط العالي بالمتحف وفي كورنيل. يبلغ حجم مكبس أسطوانة المكبس الهيدروليكي حجم الثلاجة الصغيرة تقريبًا ، وهو مصنوع في الغالب من الفولاذ السميك والقوي بشكل لا يصدق وكربيد التنجستن. ينتج عن القوة المطبقة بواسطة مكبس هيدروليكي كبير ضغوط عالية جدًا على عينات صخرية صغيرة ، يبلغ حجمها حوالي مليمتر مكعب. يتكون التجميع من عوازل كهربائية وحرارية تحيط بعينة الصخور ، بالإضافة إلى فرن أسطواني. يتيح الجمع بين مكبس أسطوانة المكبس ومجموعة التسخين إجراء تجارب يمكن أن تصل إلى مستويات الضغط ودرجات الحرارة العالية جدًا الموجودة تحت البراكين.
تقوم إليزابيث كوتريل ، عالمة الجيولوجيا البحثية وأمينة الصخور في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي التابع لمؤسسة سميثسونيان ، بتحميل تجربة في معملها بالمتحف. الائتمان: جينيفر رينتيريا ، سميثسونيان
في 13 تجربة مختلفة ، قام كوتريل وهوليكروس بتنمية عينات من العقيق من الصخور المنصهرة داخل مكبس أسطوانة المكبس تحت ضغط ودرجات حرارة مصممة لمحاكاة الظروف داخل غرف الصهارة في أعماق قشرة الأرض. تراوحت الضغوط المستخدمة في التجارب من 1.5 إلى 3 جيجا باسكال - أي ما يقرب من 15000 إلى 30000 ضغط جوي أرضي أو ضغط أكبر بمقدار 8000 مرة من الضغط داخل علبة الصودا. وتراوحت درجات الحرارة بين 950 و 1230 درجة Celsius
مئوية ، وهي درجة حرارة كافية لإذابة الصخور.
بعد ذلك ، جمع الفريق العقيق من مجموعة الصخور الوطنية التابعة لمؤسسة سميثسونيان ومن باحثين آخرين حول العالم. بشكل حاسم ، تم تحليل هذه المجموعة من العقيق بالفعل لذلك كانت تركيزاتها من الحديد المؤكسد وغير المؤكسد معروفة.
أخيرًا ، أخذ مؤلفو الدراسة المواد من تجاربهم وتلك التي تم جمعها من المجموعات إلى مصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في إلينوي. استخدم الفريق هناك حزمًا عالية الطاقة من الأشعة السينية لإجراء التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية ، وهي تقنية يمكن أن تخبر العلماء عن بنية المواد وتكوينها بناءً على كيفية امتصاصها للأشعة السينية. في هذه الحالة ، كان الباحثون يبحثون في تركيزات الحديد المؤكسد وغير المؤكسد.
قدمت العينات ذات النسب المعروفة من الحديد المؤكسد وغير المؤكسد طريقة لفحص ومعايرة قياسات التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية التي أجراها الفريق وسهلت المقارنة مع المواد من تجاربهم.
كشفت نتائج هذه الاختبارات أن العقيق لم يدمج ما يكفي من الحديد غير المؤكسد من عينات الصخور لحساب مستويات استنفاد الحديد والأكسدة الموجودة في الصهارة التي تشكل اللبنات الأساسية للقشرة القارية للأرض.
قال كوتريل: "هذه النتائج تجعل نموذج بلورة العقيق تفسيرًا بعيد الاحتمال للغاية لسبب تأكسد الصهارة من البراكين القارية واستنفاد الحديد". "من المرجح أن الظروف في وشاح الأرض أسفل القشرة القارية هي التي تهيئ هذه الظروف المؤكسدة."
مثل العديد من النتائج العلمية ، تؤدي النتائج إلى المزيد من الأسئلة: "ما الذي يؤدي إلى الأكسدة أو استنفاد الحديد؟" سأل كوتريل. "إذا لم يكن تبلور العقيق في القشرة وكان شيئًا عن كيفية وصول الصهارة من الوشاح ، فما الذي يحدث في الوشاح؟ كيف تم تعديل مؤلفاتهم؟ "
قال كوتريل إنه من الصعب الإجابة على هذه الأسئلة ، لكن النظرية الرئيسية الآن هي أن الكبريت المؤكسد يمكن أن يؤكسد الحديد ، وهو أمر تحققه زميلة بيتر باك الحالية تحت إشرافها في المتحف.
