Interfacial-energy-driven ferropericlase rounding leads to bridgmanite-controlled viscosity in the Earth’s lower mantle
تشير الأدلة التجريبية التي تُظهر أن التدوير الناتج عن طاقة الواجهة لِحبيبات البيريكلاس يحدث بشكل أسرع من الاستطالة الناتجة عن تدفق الوشاح إلى أن لزوجة الوشاح السفلي للأرض يتم التحكم فيها بواسطة طور البريدجمانيت الأقوى، مما يجعلها أعلى بعدة رتب مقدارية مما كان يُفترض سابقاً.
تحت أقدامنا بعيداً، وبعيداً عن متناول أي مثقاب، يقع الوشاح السفلي للأرض. إنه محيط شاسع من الصخور شديدة السخونة التي تتدفق ببطء شديد على مدى ملايين السنين، لتعمل كمحرك داخلي للكوكب. هذا الغليان بطيء الحركة ينقل الحرارة من اللب إلى السطح ويجر الصفائح التكتونية، مما يشكل قاراتنا ويحرك البراكين. ولفهم كيفية عمل هذا المحرك، يحتاج العلماء إلى معرفة مدى "سماكة" أو "لزوجة" هذه الصخور — وهي خاصية تسمى اللزوجة. إذا كانت الصخرة سميكة جداً، فإنها تقاوم الحركة؛ وإذا كانت رقيقة، فإنها تتدفق بسهولة. يتكون الوشاح السفلي في الغالب من معدنين: أحدهما صلب ومتصلب يسمى بريدجمانيت (bridgmanite)، والآخر أكثر ليونة وضعفاً يسمى فيروبريكلاس (ferropericlase). لفترة طويلة، ناقش العلماء ما إذا كان النظام بأكمله يتدفق مثل المعدن الصلب أم أن المعدن اللين يخلق طرقاً سريعة ضعيفة وزلقة تسمح للشيء بأكمله بالانزلاق بسهولة. هذا السؤال مهم لأن الإجابة تغير كيف نتصور تاريخ الأرض، ومدى سرعة هروب الحرارة، ولماذا تتوقف بعض الصفائح التكتونية عن الغوص بينما تغوص أخرى حتى تصل إلى اللب.
قام فريق من الباحثين الآن بإلقاء نظرة جديدة على هذا الجدل من خلال دراسة كيفية سلوك المعدن اللين عندما يتعرض للتمدد. تخيل أن لديك كتلة من حلوى التافي اللزجة (المعدن اللين) محاصرة داخل كتلة من الطين الصلب والمتصلب (المعدن الصلب). إذا شددت الطين، فستتمدد الحلوى لتصبح خيوطاً طويلة ونحيفة. في الماضي، اعتقد العلماء أنه على مدى تاريخ الأرض الطويل، ستتمدد هذه الخيوط لدرجة أنها ستتصل لتشكل شبكة مستمرة وزلقة، مما يجعل الصخرة بأكملها تتدفق بشكل أسرع بك كثيراً. ومع ذلك، تشير هذه الدراسة الجديدة إلى أن الطبيعة تمتلك آلية "تصحيح ذاتي" مدمجة. تماماً كما يريد شريط مطاطي مشدود أن يعود لشكلة الأصلي أو تريد قطرة الماء أن تصبح كرة مثالية لتوفير الطاقة، فإن الحلوة الممددة تريد أن تلتف عائدة لتصبح كرة مستديرة. وجد الباحثون أن عملية "التدوير" هذه تحدث بسرعة كبيرة لدرجة أن الحلوة لا تحصل أبداً على فرصة لتشكيل تلك الطرق السريعة والزلقة. بدلاً من ذلك، تظل الصخرة صلبة، ويتحكم بها الطين الصلب، وليس الحلوة اللينة.
قام الفريق، بقيادة أمريتا تشاكرابورتي وزملاها، باختبار هذه الفكرة من خلال دراسة عينات صغيرة من هذين المعدنين في آلة ضغط عالية تحاكي الوزن الساحق والحرارة الملتهبة في أعماق الأرض (27 جيجاباسكال ودرجات حرارة تصل إلى 2000 كلفن). قاموا أولاً بسحق العينات لتمديد حبيبات الفيروبريكلاس اللينة إلى أشكال طويلة ونحيفة، تماماً كما يفعل تدفق الأرض على مدى ملايين السنين. ثم قاموا بتثبيت العينات تحت درجات حرارة وضغط عاليين ليروا ماذا سيحدث بعد ذلك. راقبوا عن كثب ليروا ما إذا كانت الحبيبات الممددة ستبقى طويلة أم أنها ستلتف عائدة إلى أشكال مستديرة.
كانت النتائج واضحة: التفت الحبيبات الممددة بسرعة هائلة. قاس الباحثون سرعة عملية "التدوير" هذه مقارنة بسرعة تمدد الأرض. ووجدوا أنه حتى مع التقديرات الأكثر تحفظاً، فإن عملية التدوير أسرع بكثير من عملية التمدد. وبحلول الوقت الذي يمكن أن تتمدد فيه الحبيبات بما يكفي لتتصل وتشكل طبقة ضعيفة، تكون قد التفت بالفعل إلى كرات مستديرة تقريباً. في الواقع، احتاجت الحبيبات فقط إلى التمدد قليلاً — حوالي 1% أطول من عرضها — قبل أن تسيطر قوة التدوير وتمنعها من التمدد أكثر.
تشير هذه النتائج إلى أن نموذج "الطبقة الضعيفة المترابطة"، الذي يتوقع أن الوشاح السفلي أضعف بكثير ويتدفق بشكل أسرع، هو على الأرجح غير صحيح. بدلاً من ذلك، تدعم الدراسة نموذج "إطار تحمل الحمل"، حيث يمسك البريدجمانيت الصلب الهيكل معاً ويتحكم في التدفق. ويرى المؤلفون أنه نظراً لأن الحبيبات اللينة لا يمكنها البقاء ممددة، فإن اللزوجة الفعلية للوشاح السفلي هي على الأرجح أعلى مما كان يُعتقد سابقاً، وهي أقرب إلى لزوجة البريدجمانيت الصلب. وهذا يعني أن الوشاح السفلي للأرض هو بيئة أكثر خمولاً ومقاومة مما اقترحته بعض النظريات السابقة. وبينما يشير الباحثون إلى أنهم لا يزالون بحاجة إلى تأكيد كيفية تأثير الضغط على هذا التدوير في مستويات أكثر عمقاً، فإن تجاربهم تقدم دليلاً قوياً على أن طاقة السطح تعمل بمثابة مكبح قوي، مما يمنع المعادن اللينة من إنشاء الاختصارات الزلقة التي قد تسرع المحرك الداخلي للأرض.
ملخص تقني: استدارة الفيروبيريكلاس المدفوعة بالطاقة البينية تؤدي إلى سيطرة البريدجمانيت على اللزوجة في الوشاح السفلي للأرض
بيان المشكلة تعد لزوجة الوشاح السفلي للأرض معلماً حرجاً يحكم حركة المواد وانتقال الحرارة، ومع ذلك تتباين التقديرات بمقدار يصل إلى خمس مراتب عشرية. ينبع هذا عدم اليقين من الجدل بين نموذجين ريولوجيين متنافسين للنظام ثنائي الطور المكون من البريدجمانيت (Bdm، بنسبة 70-75 حجماً) والفيروبيريكلاس (Fper، بنسبة ~18-20 حجماً). يفترض نموذج "إطار تحمل الحمل" (LBF) أن البريدجمانيت، كونه المكون السائد حجمياً والأكثر قوة، هو الذي يتحكم في اللزوجة الفعالة. وعلى العكس من ذلك، يشير نموذج "الطبقة الضعيفة المترابطة" (IWL) إلى أنه رغم وفرته المنخفضة، يمكن للفيروبيريكلاس الأضعف أن يتحكم في اللزوجة إذا أدى تدفق الوشاح إلى استطالة حبيبات الفيروبيريكلاس وتحويلها إلى طبقات مترابطة. اعتمد الدعم التجريبي السابق لنموذج (IWL) (مثل جيرارد وآخرون) على معدلات انفعال عالية (10⁻⁵ ث⁻¹)، وهي أعلى بـ عشر مراتب عشرية من معدلات انفعال الوشاح الفعلي (<10⁻¹⁵ ث⁻¹). وعند معدلات الانفعال المنخفضة ذات الصلة جيولوجياً، قد تؤدي عملية استدارة الحبيبات المدفوعة بالطاقة البينية لاستطالة الحبيبات المستطيلة إلى معادلة الاستطالة الناجمة عن التدفق، وهي آلية لم يتم قياسها كمياً في هذا السياق من قبل.
المنهجية أجرى المؤلفون تجارب تحت ضغط ودرجة حرارة مرتفعين لقياس معدل استدارة عناقيد الفيروبيريكلاس المستطيلة داخل تجمعات البريدجمانيت-فيروبيريكلاس (Bdm-Fper).
تخليق العينات: تم تخليق تجمعات ذات كسور حجمية للفيروبيريكلاس (XFper) تبلغ 0.18 (تركيبة الوشاح السيليكاتي الكلي) و0.30 عند ضغط 27 جيجا باسكال ودرجة حرارة 2000 كلفن.
التشوه: تم تشويه العينات في جهاز D111 في مسرع البروتونات (SPring-8) لتحفيز استطالة عناقيد الفيروبيريكلاس، محاكيةً ظروف تدفق الوشاح.
التلدين: تم تلدين العينات المشوهة عند ضغط 27 جيجا باسكال ودرجات حرارة 1475 كلفن، و1725 كلفن، و2000 كلفن لفترات تتراوح من 0.1 إلى 54 ساعة.
الملاحظة: تم استخدام أسلوبي تلدين: "التلدين السطحي" (مراقبة نفس العناقيد بمرور الوقت) و"التلدين الكتلي" (صقل الطبقات السطحية بعد كل خطوة لمراقبة العناقيد الداخلية).
القياس الكمي: استُخدم التصوير بالإلكترونات المرتدة (BSE) لقياس محيط (p) عناقيد الفيروبيريكلاس. وتم تحديد درجة الاستطالة باستخدام المحيط الزائد النسبي (p−pc)/pc ، حيث pc هو محيط دائرة ذات مساحة مكافئة. كما تم اشتقاق معدل الاستدارة (ξ) من اضمحلال هذا المعامل بمرور الوقت.
النتائج الرئيسية
ديناميكيات الاستدارة: أظهرت التجارب أن عناقيد الفيروبيريكلاس المستطيلة تستدير بسرعة نحو شكل كروي. وتحدث العملية في نظامين: مرحلة أولية سريعة مدفوعة بإزالة خشونة الواجهة (التعرج)، ومرحلة ثانية أبطأ (النظام 2) تمثل تطور الواجهات الملساء، وهي المرحلة ذات الصلة بظروف الوشاح السفلي.
الاعتماد على درجة الحرارة والتركيب: أظهرت الاستدارة اعتماداً قوياً على درجة الحرارة، لكنها كانت مستقلة عن الكسر الحجمي للفيروبيكلاس ضمن النطاق المختبر (0.18 إلى 0.30). وقد زاد معامل الاستدارة (B) بمقدار يقارب مرتبة عشرية كاملة بين 1475 كلفن و1725 كلفن، وزاد أكثر عند 2000 كلفن.
القياس إلى ظروف الوشاح: عند القياس إلى أحجام الحبيبات في الوشاح (المقدرة بـ 160 ميكرومتر للفيروبيريكلاس، بناءً على قيود نمو حبيبات البريدجمانيت) ودرجات حرارة الوشاح المحيطة (~2000 كلفن)، فإن معدل الاستدارة المحسوب يتجاوز بشكل كبير معدل الاستطالة المتوقع من معدلات انفعال الوشاح (المقدرة تحفظياً بـ 10−15 إلى 10−16 ث⁻¹).
نسبة الاستطالة عند التوازن: يؤدي التوازن بين الاستدارة والاستطالة إلى نسبة استطالة توازن للفيروبيريكلاس قريبة جداً من الواحد الصحيح (على سبيل المثال، <1.01 في ظروف الوشاح المحيطة). وحتى في ظل الافتراضات الأكثر تحفظاً فيما يتعلق بحجم الحبيبات ومعدلات الانفعال، تظل نسبة الاستطالة أقل من 1.5.
الألواح الغاطسة: في الألواح الغاطسة الأكثر برودة (~1200 درجة مئوية)، وبينما تنخفض معدلات الاستدارة، يقل أيضاً نمو الحبيبات، مما يؤدي إلى أحجام حبيبات أصغر (<40 ميكرومتر). ونظ debido للاعتماد العكسي القوي لمعدل الاستدارة على حجم الحبيبات (d−4)، فإن معدل الاستدارة لا يزال يتجاوز معدل الاستطالة، مما يحافظ على نسبة استطالة قريبة من الواحد (<1.0005).
المساهمات الرئيسية
أول قياس: توفر هذه الدراسة أول قياس تجريبي لمعدل استدارة عناقيد الفيروبيريكلاس في نظام (Bdm-Fper) تحت ظروف الوشاح السفلي.
التحقق من الآلية: تثبت الدراسة فرضية أن تقليل طاقة الواجهة (عبر زحف كوبل) هو عامل مهيمن في مورفولوجيا الفيروبيريكلاس عند معدلات الانفعال ذات الصلة جيولوجياً، مما يؤدي فعلياً إلى إيقاف الاستطالة اللازمة لنموذج (IWL).
التقييد الريولوجي: تُظهر النتائج أن الانتقال من نظام (LBF) إلى نظام (IWL) يتم منعه بواسطة الاستدارة السريعة، مما يعني أن الفيروبيريكلاس لا يمكنه تكوين الطبقات الضعيفة المترابطة اللازمة لخفض اللزوجة الفعالة.
الأهمية والادعاءات تخلص الورقة إلى أن اللزوجة الفعالة للوشاح السفلي للأرض يتحكم فيها البريدجمانيت (نموذج LBF)، وليس الفيروبيريكلاس. ويدعي المؤلفون أن اللزوجة الفعالة أعلى بعدة مراتب عشرية مما كان يُفترض سابقاً تحت إطار (IWL). لهذا الاكتشاف تداعيات هامة على ديناميكيات الوشاح، حيث يشير إلى:
أن الوشاح السفلي أكثر لزوجة، مما قد يؤدي إلى قنوات أعمدة وشاح أبطأ وأوسع.
أن الانجراف الجانبي للأعمدة وسرعة غوص الألواح ستنخفض.
أن الحفاظ على الخزانات الجيوكيميائية (مثل BEAMS) قد يكون بسبب اللزوجة العالية المتأصلة في نطاقات البريدجمانيت كبيرة الحبيبات بدلاً من آليات إضعاف الانفعال المرتبطة بطبقات الفيروبيريكلاس المترابطة.
أن غياب التباين السيزمي في الوشاح السفلي من المرجح أن يعود إلى هيمنة زحف الانتشار بدلاً من التشوه الانتقائي للفيروبيريكلاس.
يقر المؤلفون بوجود شكوك متبقية، وتحديداً الحاجة إلى تحديد اعتماد الاستدارة على الضغط (حيث أن البيانات الحالية محدودة بضغوط الوشاح المتوسط)، والتحقق بشكل مستقل من اعتماد حجم الحبيبات النظري d−4. ومع ذلك، فإنهم يؤكدون أن الطاقة البينية تمارس تأثيراً كبيراً على لزوجة الوشاح السفلي، مما يغير بشكل جذري فهم ريولوجيا الوشاح.