کشف ذخیره پنهان آب در ۳۰۰۰ کیلومتری زیر زمین

در سال‌های اخیر، علم از اسرار شگفت‌انگیزی پرده برداشته است - از آنچه در درون سیاه‌چاله‌ها کمین کرده تا کشف یک «قاره هشتم» جدید و وسیع. حتی نزدیک‌تر به خانه، محققان دریاچه‌ای در آمریکای شمالی کشف کرده‌اند که بزرگتر از مجموع تمام دریاچه‌های بزرگ است. اما یکی از خیره‌کننده‌ترین اکتشافات نه در فضا یا روی سطح زمین، بلکه در اعماق زیر پای ما قرار دارد.  دانشمندان می‌گویند زمین احتمالا ذخیره‌ای پنهان از آب را در عمق ۱۸۰۰ مایلی (حدود ۲۹۰۰ کیلومتری) زیر سطح خود جای داده است.

به گزارش فرارو به نقل از وبسایت The Brighter Side، بسیار پایین‌تر از پوسته زمین، تقریباً ۴۰۰ مایل پایین‌تر، دانشمندان چیزی شگفت‌انگیز یافتند: یک اقیانوس پنهان که درون سنگ‌ها قفل شده است. این دریای زیرزمینی مانند اقیانوس‌هایی که می‌بینیم نیست. در عوض، آب آن در ماده معدنی به نام رینگ‌وودیت به دام افتاده است که در اعماق گوشته دفن شده است. 

این پیشرفت، آنچه را که ما فکر می‌کردیم در مورد نحوه حرکت آب در سیاره‌مان می‌دانیم، تکان می‌دهد. برخلاف آب سطحی، این مخزن به صورت مایع، جامد یا گاز وجود ندارد. در عوض، در یک حالت چهارم عجیب نگهداری می‌شود، مانند رطوبت در اسفنج، درون سنگ معلق است. 

سال‌ها دانشمندان گمان می‌کردند که آب می‌تواند در سنگ‌های گوشته پنهان شود. اما این اولین باری بود که شواهدی از ذخیره آن در چنین عمق و مقادیر عظیمی پیدا کردند. این کشف در مطالعه‌ای با عنوان «ذوب ناشی از کم‌آبی در بالای گوشته پایینی» آشکار شد که این سیستم پنهان را با جزئیات قابل توجهی نقشه‌برداری می‌کرد. 

استیو جاکوبسن، متخصص ژئوفیزیک و یکی از محققان اصلی، توضیح داد: «رینگ‌وودایت مانند اسفنجی است که آب را جذب می‌کند.» او افزود که این ماده معدنی ساختار کریستالی نادری دارد. هیدروژن را به خود جذب می‌کند و آب را به روشی که کمتر ماده دیگری می‌تواند، در خود نگه می‌دارد. 

به گفته جاکوبسن، این فقط یک رسوب کوچک نیست. او خاطرنشان کرد: «این ماده معدنی می‌تواند در شرایط گوشته عمیق حاوی مقدار زیادی آب باشد.» این بدان معناست که فضای داخلی زمین می‌تواند بسیار مرطوب‌تر از آن چیزی باشد که هر کسی تصور می‌کرد. 

پیامدهای این موضوع بسیار عظیم است. جیکوبسن می‌گوید: «به گمانم ما سرانجام شاهد شواهدی از وجود یک چرخه آب در مقیاس کل سیاره زمین هستیم.» او معتقد است که این مخزن عمیق می‌تواند به توضیح چگونگی پیدایش چنین حجم عظیمی از آب مایع در سطح سیاره ما کمک کند. 

دانشمندان دهه‌ها در پی یافتن نشانه‌هایی از وجود آب در اعماقِ زیرِ پوسته زمین بوده‌اند. اکنون به لطف این پژوهش، به نظر می‌رسد که آن را یافته‌اند؛ کشفی که می‌تواند منجر به بازنگری کامل در درک ما از سامانه‌های ژئوفیزیکی زمین شود. 

اما آن‌ها چگونه این اقیانوس پنهان را کشف کردند؟ پاسخ در تکاپو و لرزش‌های درونی خودِ زمین نهفته است. پژوهشگران امواج لرزه‌ای ثبت‌شده توسط لرزه‌سنج‌ها را بررسی کردند و متوجه نکته‌ای غیرعادی شدند. این امواج، حاکی از وجود آبی بودند که در اعماق زیاد و درون سنگ‌ها محبوس شده، اما برای حفظ تعادل سیاره حیاتی است. 

پژوهشگران با تحلیل دقیق این داده‌ها به این نتیجه رسیدند که این امواج با آبِ محبوس در سنگ «رینگ‌وودیت» (ringwoodite) در حال تعامل هستند. برای درک بهتر حجم عظیم این ذخیره آب زیرزمینی، کافی است بدانیم که اگر سنگ رینگ‌وودیت تنها حاوی ۱ درصد آب باشد، حجم آبی که در زیر پوسته زمین نهفته است، سه برابر مجموع آب تمام اقیانوس‌های سطح زمین خواهد بود. 

اگرچه گستره وسیع اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و دریاچه‌های سیاره آبی ما همواره بشر را مجذوب خود کرده است، اما همین اقیانوس پنهان که بی‌سروصدا در اعماق گوشته زمین آرمیده، اکنون دانشمندان و ذهن‌های کنجکاو را بر آن داشته است تا در درک خود از زمین تجدید نظر کنند. 

چنین کشفیاتی به ما یادآوری می‌کنند که سیاره ما چه اسرار بی‌پایانی را در خود جای داده و چه افق‌های هیجان‌انگیز و ناشناخته‌ای (به معنای واقعی کلمه، پهنه‌های آبی ناشناخته) در مسیر کاوش‌های علمی پیش روی ما قرار دارد. 

در واقع، در عصر اکتشافات علمی حیرت‌انگیز، چنین یافته‌های فروتنانه‌ای ما را از پیچیدگی‌های جهانی که در آن زندگی می‌کنیم و جهان پهناور فراتر از آن شگفت‌زده می‌کند. 

این آب چگونه به گوشته راه یافته است؟ 

یک مدل پیشنهادی حاکی از آن است که سیارک‌ها آب را به زمین آورده‌اند و این آب هم‌زمان با شکل‌گیری سیاره، در ساختار آن حفظ شده است. یا شاید هم آب در مراحل بعدی به زمین رسیده و گوشته‌ای را که پیش‌تر خشک بوده، مرطوب کرده است. 

محل دقیق این آب در لایه گوشته که هزاران کسلومتر در اعماق درونی سیاره امتداد دارد، پیش از این به درستی شناخته نشده بود. 

یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که این آب احتمالاً در نزدیکی مرز میان گوشته و هسته بیرونیِ مایع قرار دارد؛ یعنی همان‌جایی که آزمایش‌های لرزه‌نگاری، وجود «مناطق با سرعت بسیار پایین» (ultralow velocity zones) را آشکار کرده‌اند. 

گوشته زیرین زمین از عمق حدود ۶۶۰ تا ۲۹۰۰ کیلومتری زیر سطح زمین امتداد دارد. تصور می‌شود که فراوان‌ترین کانی‌های این بخش، از جمله «بریج‌مانیت» (bridgmanite) و «فروپری‌کلاز» (ferropericlase)، عمدتاً خشک باشند. 

کانی‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند آب را در اعماق زمین در خود نگه دارند، اما بسیاری از آن‌ها برای حفظ پایداری به ترکیبات شیمیایی خاص و غیرمعمولی نیاز دارند یا در دماهای بسیار بالایِ عمیق‌ترین بخش‌های گوشته تجزیه می‌شوند. 

بنابراین، پژوهشگران به دنبال احتمالی دیگر رفتند. آن‌ها برای بازسازی دماها و فشارهای بسیار بالا از «سلول‌های سندان الماس با گرمایش لیزری» استفاده کردند که ابزارهایی هستند که نمونه‌های بسیار کوچک را میان دو نوک الماس که فاصله‌شان تنها به اندازه ضخامت یک کاغذ است، تحت فشار قرار می‌دهند و هم‌زمان با لیزر به آن‌ها حرارت می‌دهند. 

دانشمندان در این شرایط، دو نوع ترکیب «اکسی‌هیدروکسید آهن» را شناسایی کردند که پیش از این ناشناخته بودند و می‌توانند مقادیر عظیمی از آب را در ساختار خود محبوس کنند. 

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این فازها می‌توانند در شرایط اعماق گوشته وجود داشته باشند، اما مستقیماً ثابت نمی‌کنند که آن‌ها درون زمین نیز حضور دارند. 

ویلسون در تفسیر خود می‌نویسد: شناسایی این اکسی‌هیدروکسیدهای آهن حائز اهمیت است، زیرا آن‌ها ظاهراً فازهایی پایدار و متراکم هستند که آب را در طیف وسیعی از شرایط گوشته زیرین، جذب و حفظ می‌کنند. 

این کانی‌ها حتی در شرایط کمبود آب نیز تشکیل شدند. در برخی آزمایش‌ها، ماده اولیه حاوی کمتر از ۰.۱ درصد آب بود، با این حال همان غلظت‌های ناچیز هیدروژن برای پایدارسازی فازهای جدید کافی بود. 

این موضوع مهم است، زیرا اعماق درونی زمین شبیه به یک اقیانوس عظیم زیرزمینی نیست. هرگونه آبی که در آنجا ذخیره شده باشد، باید درون ساختار کانی‌ها جای گرفته باشد؛ آن هم اغلب در شرایطی که آب آزاد عملاً وجود ندارد. 

به نظر می‌رسد این کانی‌های جدید برای انجام این کار به‌طور غیرمعمولی مناسب هستند. آن‌ها هم در شرایط بسیار سختِ پایین‌ترین بخش گوشته پایدارند و هم به‌مراتب متراکم‌تر از سنگ‌های پیرامونی گوشته هستند. این بدان معناست که وقتی یک «اقیانوس ماگمایی پایه» (توده‌ای مذاب و اولیه) در اوایل تاریخ زمین سرد و متبلور شد، این کانی‌های حاوی آب می‌توانستند تشکیل شده و سپس به سمت مرز هسته و گوشته فرو روند. 

این آبِ پنهان لزوماً پنهان نمی‌ماند؛ زیرا با بالا کشیده شدن موادِ حاوی آب توسط جریان‌های گوشته، کاهش فشار می‌تواند باعث ناپایداری کانی‌ها شده و آب آن‌ها را در سایر حالت‌های گوشته آزاد کند. 

در نهایت، بخشی از آن آب می‌تواند از طریق ستون‌های گوشته‌ای (plumes) و فعالیت‌های آتشفشانی به سطح زمین بازگردد. 

این کشف همچنین بر معمایی قدیمی پرتو می‌افکند. یک کانی موسوم به «فاز H» که در آزمایش‌های پیشینِ فشار بالا مشاهده شده بود، ظاهراً با یکی از اکسی‌هیدروکسیدهای تازه شناسایی‌شده مطابقت دارد. 

پژوهشگران بر این باورند که آلودگی هیدروژنی ناشی از رطوبت ناچیز و نه یک کانی خشک و کاملاً جدید، ممکن است در پیدایش آن فازِ اسرارآمیز در آزمایش‌های قبلی نقش داشته باشد.

سایر منابع پنهان آب در پوسته زمین

منابع پنهان آب در پوسته زمین در اشکال و مکان‌های مختلف، اغلب در اعماق سطح زمین قرار دارند. در اینجا به برخی از منابع کلیدی اشاره می‌کنیم: 

آب متصل به مواد معدنی

مواد معدنی خاصی در پوسته زمین، مانند الیوین، سرپانتین و میکا، می‌توانند آب را در ساختارهای کریستالی خود به دام بیندازند. به عنوان مثال، سنگ‌های سرپانتینی شده (که در اثر واکنش بین پریدوتیت و آب تشکیل می‌شوند) حاوی آب متصل به مواد شیمیایی هستند که می‌توانند تحت شرایط خاص زمین‌شناسی، مانند زمانی که این مواد معدنی دستخوش دگرگونی می‌شوند، آزاد شوند. 

سفره‌های آب عمیق

آب‌های زیرزمینی فقط در نزدیکی سطح نیستند؛ بلکه می‌توان آن‌ها را هزاران متر پایین‌تر در آنچه به عنوان سفره‌های آب عمیق شناخته می‌شوند، یافت. این سفره‌های آب، که اغلب در سنگ‌های متخلخل به دام افتاده‌اند، می‌توانند حاوی آب‌های باستانی، گاهی میلیون‌ها ساله، باشند. دسترسی به آن‌ها به دلیل عمق بسیار زیاد و فشار بالا چالش برانگیز است، اما آن‌ها ذخایر آب قابل توجهی را نشان می‌دهند. 

مناطق فرورانش

در مرزهای تکتونیکی که یک صفحه به زیر صفحه دیگر رانده می‌شود (مناطق فرورانش)، آب از پوسته اقیانوسی به داخل گوشته کشیده می‌شود. مقداری از این آب در داخل پوسته باقی می‌ماند، از نظر شیمیایی در مواد معدنی یا در فضاهای منفذ محصور شده است، در حالی که مقداری از آن ممکن است در نهایت از طریق فعالیت آتشفشانی به سطح زمین بازگردد. 

فضاهای منفذی و شکستگی‌ها در سنگ‌ها

پوسته زمین شکسته و متخلخل است و به آب اجازه می‌دهد تا به ترک‌ها و حفره‌ها نفوذ کند. این آب که به عنوان آب منفذی شناخته می‌شود، می‌تواند در اعماق زمین در سنگ‌هایی با تخلخل بالا مانند ماسه سنگ یافت شود. این آب ممکن است در طول رویدادهای تکتونیکی مانند زلزله یا هنگام تغییر فشارهای تکتونیکی آزاد شود. 

آب مشتق شده از گوشته

اگرچه بخشی از خود پوسته نیست، اما آب موجود در گوشته می‌تواند به داخل پوسته مهاجرت کند. این آب مشتق شده از گوشته ممکن است از طریق فعالیت آتشفشانی به سطح برسد یا به آرامی در پوسته پخش شود و آب موجود در مناطق خاص را غنی کند. آب موجود در گوشته اغلب در مواد معدنی تشکیل شده در فشارها و دماهای بالا ذخیره می‌شود. 

سنگ‌های هیدراته از اقیانوس‌های باستانی

سنگ‌هایی که در کف اقیانوس‌های باستانی تشکیل شده‌اند، اغلب حاوی آب دریا هستند یا هیدراته شده‌اند. وقتی این سنگ‌ها دفن می‌شوند یا به پوسته فرو می‌روند، این آب را با خود حمل می‌کنند و مخازن اضافی آب را در اعماق سطح زمین ایجاد می‌کنند. 

اجزای سیال در سنگ‌ها

حباب‌ها یا حفره‌های کوچک، که به عنوان اجزای سیال شناخته می‌شوند، می‌توانند مقادیر بسیار کمی از آب را در هنگام تشکیل سنگ‌ها به دام بیندازند. این اجزا می‌توانند بقایای آب دریا یا آب حاصل از سایر فرآیندهای زمین‌شناسی باشند و اگرچه به صورت جداگانه کوچک هستند، اما در مجموع به منابع آب پنهان در پوسته کمک می‌کنند. 

این مخازن آب پنهان نقش‌های حیاتی در فرآیندهای زمین‌شناسی مانند تکتونیک و ماگماتیسم ایفا می‌کنند و با آزاد کردن آب به جو در طول فوران‌های آتشفشانی یا از طریق دگرگونی سنگ، به چرخه جهانی آب کمک می‌کنند. 

مطالب فوق در نشریه The Brighter Side of News ارائه شده است.