High-pressure behaviour of REE-free calcioburbankite structure

गहरी पृथ्वी का छिपा हुआ लेगो सेट

कल्पना कीजिए कि पृथ्वी एक स्थिर चट्टान का गोला नहीं, बल्कि एक विशाल, उबलता हुआ प्रेशर कुकर है। हमारे पैरों के नीचे गहराई में, जिसे मेंटल ट्रांज़िशन ज़ोन कहा जाता है, ऊपर की चीज़ों का भार ज़मीन को इतनी ज़ोर से दबाता है कि चट्टानें उन तरीकों से व्यवहार करती हैं जिनकी हम शायद ही कल्पना कर सकें। हमारी पृथ्वी कैसे काम करती है, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों को यह जानने की ज़रूरत है कि जब विभिन्न खनिज इस अत्यधिक दबाव में कुचले जाते हैं, तो वे कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। इन खनिजों को गहरे पृथ्वी के 'बिल्डिंग ब्लॉक्स' (निर्माण खंडों) के रूप में सोचें; यदि आप जानते हैं कि एक विशिष्ट ब्लॉक कैसे मुड़ता है, टूटता है या पिचकता है, तो आप यह पता लगा सकते हैं कि पूरा ढांचा कैसे टिका रहता है।

ऐसा ही एक ब्लॉक है जिसे कैल्सियोबर्केंबाइट (calcioburbankite) नामक खनिज कहा जाता है। यह एक प्रकार का कार्बोनेट है, जो एक फैंसी शब्द है उन चट्टानों के लिए जो मुख्य रूप से कार्बन और ऑक्सीजन के मिश्रण से बनी होती हैं और जिनमें सोडियम और कैल्शियम जैसी धातुएं मिली होती हैं। प्रकृति में, इन चट्टानों में अक्सर दुर्लभ पृथ्वी तत्व (rare earth elements) होते हैं (इन्हें खनिज जगत का "मसाला" समझें), लेकिन वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि बिना "मसाले" वाले "सादे" संस्करण के साथ क्या होता है। उन्हें उच्च दबाव (high pressure) को भी समझना था, जो वास्तव में चारों ओर से दबने वाला बल है, और क्रिस्टल संरचना (crystal structure), जो वह विशिष्ट, दोहराव वाला 3D पैटर्न है जो परमाणु एक साथ पैक होने पर बनाते हैं। यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि ये खनिज ज़मीन के नीचे गहराई में छिपे हो सकते हैं, जो चट्टानों के पिघलने और ग्रह के माध्यम से गर्मी के संचार को नियंत्रित करते हैं। यदि हमें यह नहीं पता कि वे कैसे पिचकते हैं, तो हम पृथ्वी के गहरे आंतरिक भाग में क्या हो रहा है, इसका सटीक मॉडल नहीं बना सकते।

महान दबाव: वैज्ञानिकों ने क्या किया

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस दुर्लभ-तत्व मुक्त कैल्सियोबर्केंबाइट के शुद्ध नमूने के साथ एक बहुत ही तीव्र "दबाव का खेल" खेलने का निर्णय लिया। उन्होंने एक छोटा, उच्च-तकनीकी दबाव कक्ष बनाया जिसे डायमंड एनविल सेल (diamond anvil cell) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि आप दो हीरों को, जो पृथ्वी की सबसे कठोर सामग्री है, एक सूक्ष्म चट्टान के टुकड़े को बीच में रखकर आपस में दबा रहे हैं। डायमंड्स को एक-दूसरे के करीब धकेल कर, वे गहरे पृथ्वी के कुचलने वाले भार का अनुकरण कर सके, जिससे दबाव लगभग 20 GPa (यह समुद्र तल पर वायुमंडल के दबाव का लगभग 200,000 गुना है) तक बढ़ गया।

चट्टान को दबाते समय, उन्होंने इसके माध्यम से एक सुपर-ब्राइट एक्स-रे बीम प्रवाहित की। यह चट्टान की हड्डियों का एक्स-रे फोटो लेने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि उसके अंदर के परमाणु वास्तव में कैसे हिल रहे हैं। उन्होंने ऐसा कमरे के तापमान पर किया, दबाव को धीरे-धीरे चरण-दर-चरण 20 GPa तक बढ़ाया, और फिर यह देखने के लिए दबाव कम किया कि क्या चट्टान वापस अपने मूल रूप में आई।

निष्कर्ष: एक लचीला, स्तरित पहेली

बड़ी खबर यह है कि यह खनिज एक कठिन चीज़ है। 20 GPa के अत्यधिक दबाव के तहत भी, यह टूटा नहीं, पिघला नहीं, या किसी अन्य प्रकार की चट्टान में नहीं बदला। यह पूरे समय स्थिर रहा। हालाँकि, यह समान रूप से नहीं पिचा।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इसकी क्रिस्टल संरचना पैनकेक के ढेर या लेयर्ड केक की तरह है। जब उन्होंने इस पर नीचे की ओर दबाव डाला, तो इसके स्तर (layers) केक की चौड़ाई की तुलना में बहुत आसानी से दब गए। विशेष रूप से, ऊर्ध्वाधर ऊंचाई (c-axis) क्षैज़ोंटल चौड़ाई (a-axis) की तुलना में लगभग 1.5 गुना अधिक आसानी से दब गई।

• ऊर्ध्वाधर दबाव (vertical squeeze) को 158(3) GPa की "कठोरता" (linear modulus) के साथ मापा गया।
• क्षैज़ोंटल दबाव (horizontal squeeze) बहुत अधिक सख्त था, जो 239.8(18) GPa था।

आयतन (volume) में परिवर्तन को सटीक रूप से वर्णित करने के लिए, टीम ने 3rd order Birch-Murnaghan equation of state नामक एक गणितीय रेसिपी का उपयोग किया। यह रेसिपी डेटा में पूरी तरह फिट बैठी, जिससे उन्हें 584.12(16) ų का शुरुआती आयतन और 68.1(7) GPa की बल्क स्टिफनेस (यह कि पूरी चीज़ को दबाना कितना कठिन है) प्राप्त हुई।

गुप्त वास्तुकला: टाइल्स और पॉलीहेड्रा

यह समझने के लिए कि यह क्यों इस तरह से पिचा, वैज्ञानिकों ने परमाणु व्यवस्था को देखा। आमतौर पर, लोग इन संरचनाओं को आकृतियों (पॉलीहेड्रा) के संग्रह के रूप में वर्णित करते हैं जो धातु परमाणुओं के केंद्र में होती हैं। लेकिन इस टीम के पास एक बेहतर विचार था: उन्होंने संरचना को टाइल्स (tiles) के फर्श के रूप में देखा, जो एक "पेरोव्स्काइट" पैटर्न के समान है।

उन्होंने क्रिस्टल की कल्पना तीन प्रकार के टाइल्स के मोज़ेक के रूप में की:

1. ऑक्टाहेड्रल टाइल्स (नीले रंग में)।
2. क्यूबिक क्यूबोकटाहेड्रल टाइल्स (लाल रंग में)।
3. हेक्सागोनल क्यूबोकटाहेड्रल टाइल्स (हरे रंग में)।

जब उन्होंने मापा कि प्रत्येक "टाइल" कितनी दबी, तो उन्हें एक आश्चर्यजनक बात पता चली। अधिकांश टाइल्स काफी सख्त थे, जिनकी कठोरता लगभग 70–80 GPa थी। लेकिन एक विशिष्ट टाइल, B1 टाइल (जो एक कार्बोनेट समूह को थामे हुए है), बहुत नरम थी, जिसकी कठोरता केवल 35 GPa थी। इस नरम टाइल ने श्रृंखला की "कमजोर कड़ी" के रूप में कार्य किया, जिससे पूरी संरचना कुछ दिशाओं में अधिक आसानी से दब सकी।

उन्होंने पारंपरिक "पॉलीहेड्रा" दृष्टिकोण (धातु-केंद्रित आकृतियों) की भी जांच की। उन्होंने पाया कि बड़ी धातु आकृति (M2O10) वास्तव में छोटी आकृति (M1O8) की तुलना में अधिक सख्त थी। यह अजीब लग सकता—आमतौर पर, बड़ी चीजें दबाना आसान होता है—लेकिन गणित से पता चला कि ऐसा इसलिए था क्योंकि बड़ी आकृति में मौजूद धातु का विद्युत आवेश (electrical charge) अधिक था, जिसने उसके परमाणुओं को मजबूती से थामे रखा। यह कोई रहस्य नहीं था; यह बस भौतिकी का अपेक्षित कार्य था।

गहरे पृथ्वी के लिए इसका क्या अर्थ है

यह अध्ययन सुझाव देता है कि इस विशिष्ट प्रकार की चट्टान, कैल्सियोबर्केंबाइट का "सादा" संस्करण, पृथ्वी के मेंटल ट्रांज़िशन ज़ोन में पाए जाने वाले तीव्र दबावों में बिना टूटे जीवित रह सकता है। चूंकि यह दिशा के आधार पर अलग-अलग तरह से पिचता है (anisotropy), यह भूकंपीय तरंगों (seismic waves) के माध्यम से यात्रा करने के तरीके को प्रभावित करेगा, जिसके माध्यम से हम पृथ्वी के भीतर "देखते" हैं।

शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों की तुलना एक समान चट्टान के पिछले अध्ययन से की जिसमें दुर्लभ पृथ्वी तत्व शामिल थे। उन्होंने पाया कि पिछले अध्ययन का गणित थोड़ा गलत हो सकता था क्योंकि इसमें यह ध्यान नहीं रखा गया था कि उच्च दबाव पर चट्टान की कठोरता कैसे बदलती है। अधिक जटिल 3rd-order गणित मॉडल का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया कि "सादा" चट्टान और "मसालेदार" चट्टान दोनों बहुत समान व्यवहार करते हैं, बस उनके शुरुआती आकार में थोड़ा अंतर है।

संक्षेप में, यह पेपर हमें एक सटीक नियम पुस्तिका देता है कि यह विशिष्ट खनिज दबाव में कैसे व्यवहार करता है। यह पुष्टि करता है कि बर्बैंकाइट परिवार के खनिज गहरे पृथ्वी के स्थिर निवासी हैं, और यह हमें सटीक आंकड़े प्रदान करता है जिनकी वैज्ञानिकों को यह मॉडल करने के लिए आवश्यकता है कि ये चट्टानें हमारे ग्रह की छिपी गहराइयों में पदार्थ के पिघलने और गति को कैसे नियंत्रित करती हैं।