تظهر "السوبر قارات" تحت الأرض دلائل مثيرة جديدة لما يحدث تحت سطح الأرض

مثل معظمنا، فإن الأرض لديها الكثير مما يجري تحت سطح الأرض - حتى في أكثر طبقاتها تواضعًا.

الوشاح، وهو منطقة تقع بين القشرة الرقيقة لكوكبنا واللب المنصهر، يضم 1800 ميل (2900 كيلومتر) من الصخور الصلبة في معظمها، بقوام يشبه الكراميل السميك الذي افترض العلماء منذ فترة طويلة أنه ممزوج بشكل موحد. ولكن تم العثور على مناطق ضخمة غير ممزوجة باقية في الوشاح، مثل كتل الشوكولاتة في البسكويت، وبدأت الاكتشافات الجديدة تكشف عن أسرارها.

من بين كتل الوشاح الغامضة توجد "قارتان عملاقتان" هائلتان مدفونتان على عمق آلاف الكيلومترات تحت القشرة الأرضية وسط بقايا الصفائح التكتونية القديمة. وتقع إحدى القارتين العملاقتين تحت أفريقيا، بينما تقع الأخرى في أعماق المحيط الهادئ. وباستخدام طريقة جديدة لتحليل البيانات المستقاة من الزلازل، كشف الباحثون مؤخرًا تفاصيل لم تكن معروفة من قبل عن هاتين المنطقتين الجزريتين الشاسعتين، وكشفوا أنهما قد تكونان بمثابة مرتكزات في وشاح كوكبنا وأنهما قد تكونان أقدم بكثير مما كان يُعتقد سابقًا.

ويُضاف هذا الاكتشاف إلى مجموعة متزايدة من الأدلة التي تشير إلى أن الوشاح الصخري ليس محرّكاً جيداً بسبب التماوج الداخلي للأرض كما كان يُعتقد سابقاً. وذكر العلماء في 22 يناير/كانون الثاني في مجلة نيتشر أن الهياكل أو الجيوب الخفية من المواد غير المخلوطة، مثل هذه القارات العملاقة، قد تشكل نشاط الوشاح، بما في ذلك حركة الصفائح، بطرق لم تُفهم بعد.

قالت كلير ريتشاردسون، وهي طالبة دكتوراه في كلية استكشاف الأرض والفضاء في جامعة ولاية أريزونا، والتي لم تشارك في البحث الجديد: "ستساهم هذه النتائج في فهم أفضل للحمل الحراري للوشاح وتكتونية الصفائح، وبالتالي الظواهر التي نختبرها على السطح مثل الزلازل والبراكين."

"وقالت ريتشاردسون لشبكة سي إن إن في رسالة بالبريد الإلكتروني: "إن حل الخصائص الفيزيائية والحرارية والكيميائية للصخور على عمق 3000 كيلومتر (1864 ميلاً) تحت أقدامنا، في درجات حرارة وضغوطات قصوى، هو مشكلة أقل ما يقال عنها أنها صعبة. "الأسئلة المفتوحة كثيرة، وكل دراسة جديدة تقربنا أكثر من فهم ما يحدث بالفعل هناك."

القرائن التي كشفتها الأمواج

اكتشف الباحثون لأول مرة القارات العملاقة تحت الأرض منذ حوالي 50 عامًا عندما ظهرت على شكل شذوذ في البيانات الزلزالية الناتجة عن الزلازل القوية بما يكفي لإرسال أصداء عبر الكوكب. عندما تصادف الموجات الزلزالية هياكل غير عادية في الوشاح، فإن التغيرات في سرعة الموجات توفر لعلماء الزلازل أدلة حول باطن الأرض العميق.

وعلى مر العقود، كشفت البيانات الزلزالية أن هذه الجزر الفائقة تشكل حوالي 20% من حدود الوشاح-اللب. وتغطي كل جزيرة من الجزر المدفونة مئات الآلاف من الأميال، وفي بعض البقع ترتفع في بعض المواقع بطول 600 ميل (965 كيلومترًا) تقريبًا. ومع ذلك، لم يكن يُعرف سوى القليل عن مكوناتها ومتى غرقت والدور الذي قد تلعبه في تدفق الوشاح، المعروف باسم الحمل الحراري، كما قالت الدكتورة سوجانيا تالافيرا سوزا، المؤلفة الرئيسية للدراسة الجديدة والباحثة في علوم الأرض وعلم الزلازل في جامعة أوتريخت في هولندا.

وقالت تالافيرا-سوزا: "إن أصلها وما إذا كانت هياكل طويلة العمر - هو أمر محل نقاش واسع النطاق".

Loading image...

ركّزت الأبحاث السابقة على سرعة الموجات الزلزالية، وأظهرت أن سرعة الموجات تباطأت بنحو 2% عند وصولها إلى القارات الفائقة. وقد أدى هذا التباطؤ في الموجات الزلزالية إلى تسمية الجيولوجيين للمناطق بمقاطعات سرعة القص المنخفضة الكبيرة، أو LLSVPs.

وقالت تالافيرا-سوزا إن فقدان السرعة في الموجات الزلزالية يشير إلى أن مناطق الوشاح هذه كانت أكثر سخونة من الصخور المحيطة بها. ولكن لم يكن معروفًا ما إذا كانت مناطق LLSVPs تختلف هيكليًا عن المناطق المجاورة. كما لم يكن العلماء غير متأكدين مما إذا كانت القارات العملاقة تشارك بنشاط في الحمل الحراري، أو ما إذا كانت "نوعًا من الأكوام الكثيفة التي كانت ستبقى هناك فقط"، كما قال المؤلف المشارك في الدراسة الدكتور أروين ديوس، أستاذ هيكل وتكوين باطن الأرض العميق في جامعة أوتريخت.

قال ديوس: "لم تكن هناك معلومات عن ذلك". "كنا نعرف فقط أن الموجات الزلزالية تباطأت."

في الدراسة الجديدة، استخدم المؤلفون نهجًا مختلفًا لدراسة الموجات الزلزالية المنخفضة في أعماق الأرض لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم استخلاص تفاصيل حول تكوين المناطق ونشاطها. حيث نظروا في توهين أو شدة الإشارات الزلزالية أثناء انتقالها عبر الوشاح لمعرفة مقدار الطاقة التي تفقدها الاهتزازات الناتجة عن الزلازل.

وقال ديوس إن التوهين في الموسيقى، يمكن مقارنته بتخميد النغمة، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى الصوت. يمكن أن يوفر فحص توهين الموجات - إلى جانب التغيرات في سرعة الموجات - أدلة لم يسبق لها مثيل حول تركيبة الموجات المنخفضة المنخفضة. وأضافت تالافيرا-سوزا أن أفضل البيانات لهذا الغرض هي من الموجات الناتجة عن الزلازل التي تبلغ قوتها 7.8 درجة أو أعلى.

من المعروف أن سرعة الموجات وفقدان الطاقة يتأثران بحجم حبيبات المعادن وكذلك درجة الحرارة، لذلك استخدم المؤلفون نموذجًا فيزيائيًا يربط بين علم الزلازل وفيزياء المعادن. تخمد الموجات أكثر عندما تصادف مواد مصنوعة من حبيبات أصغر؛ فإذا كانت هناك الكثير من الحبيبات متراصة معاً، فهناك المزيد من الحدود بين الحبيبات التي يمكن أن تستنزف طاقة الموجة.

أقدم من "مقابر الألواح

Loading image...

كشفت دراسات أخرى أن القارات العملاقة كانت لها شركة في الوشاح العميق. وقال ديوس إن حولها كانت هناك "مقابر ألواح" من الصفائح التكتونية الغارقة. كانت هذه الصفائح أكثر برودة من الصفائح التكتونية العملاقة، لذلك تحركت الموجات الزلزالية من خلالها بسرعة أكبر.

ومع ذلك، أظهر النموذج الجديد أنه في حين انخفضت سرعة الموجات الزلزالية عند وصولها إلى الصفائح التكتونية الغارقة، لم تفقد الموجات الكثير من الطاقة. وعلى سبيل المقارنة، كان هناك تخميد كبير بين المقابر الأكثر برودة حول LLSVPs.

ويعتقد الباحثون أن هذه الاختلافات ترجع إلى الأعمار المقارنة للهياكل. فعلى مدى ملايين السنين، ومع انحدار المواد الصخرية عبر الحدود بين الوشاح العلوي والسفلي، تنضغط البلورات المعدنية وتتشكل إلى حبيبات أصغر حجماً ثم تنمو من جديد مع مرور الوقت. وبالتالي فإن المناطق الأصغر سناً تحتوي على بلورات أصغر حجماً، والتي تمتص المزيد من الطاقة من الموجات الزلزالية، وبالتالي فإن مقدار التخميد في منطقة ما يشير إلى مدى قدمها.

وقالت تالافيرا-سوزا: "حقيقة أن التخميد في المناطق الصغيرة جداً من LLSVPs يظهر تخميداً ضئيلاً جداً، يعني أنها يجب أن تتكون من حبيبات أكبر بكثير من المناطق المحيطة بها". تشير الحبيبات المعدنية الأكبر حجماً إلى أن القارات العملاقة كانت أقدم بكثير من المقابر التكتونية المحيطة بها، حيث يجب أن تكون حبيباتها قد حظيت بوقت أطول للنمو، وفقاً للدراسة. كما أن الكتل البنائية الأكبر حجماً ستجعل القارات العملاقة أكثر صلابة، مما يبقيها منفصلة عن الحمل الحراري للوشاح، أو حركة المواد في تلك الطبقة بسبب انتقال الحرارة.

وقالت تالافيرا-سوزا: "تشير دراستنا إلى أن القارات العملاقة هي سمات طويلة العمر، عمرها نصف مليار سنة على الأقل، وربما أقدم من ذلك". "وهذا يعني أنها تعمل كمرتكزات عند قاعدة الحد الفاصل بين اللب والوشاح، وقد نجت من الحمل الحراري للوشاح، مما يعني أن الوشاح ليس مختلطًا جيدًا."

يأتي هذا الاكتشاف في أعقاب كشف آخر حديث عن المزيد من "العوالم الغارقة" التي تتعارض مع فكرة الوشاح المختلط. حيث تميل الصفائح المدفونة في المقابر التكتونية إلى التراكم في محاذاة مناطق الاندساس الأرضية - وهي المناطق التي تلتقي فيها حواف صفيحتين، وحيث تنزلق إحداهما تحت الأخرى. ولكن في وقت سابق من هذا العام، حدد فريق آخر من العلماء ألواحاً تكتونية غارقة بعيداً عن هذه الحدود في مواقع تحت القارات الداخلية وتحت المحيطات، حيث لم يتم العثور على صفائح غارقة من قبل.

وقال توماس شوتن، المؤلف الرئيسي لهذا التحقيق والباحث في المعهد الجيولوجي التابع للمعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ: "يبدو أن هذه المناطق في وشاح الأرض أكثر انتشارًا مما كان يُعتقد سابقًا" في بيان.

قالت ريتشاردسون، المرشح لنيل درجة الدكتوراه، إن النموذج في الدراسة الجديدة - وهو أول نموذج توهين ثلاثي الأبعاد للوشاح بأكمله - سيساعد علماء الزلازل على فهم أفضل لما يقع على عمق آلاف الكيلومترات تحت سطح الأرض.

وقالت: "إنه يرسم خرائط لمناطق الأرض التي تضعف الطاقة الزلزالية، مما يؤثر في نهاية المطاف على القياسات التي يستخدمها العديد من علماء الزلازل لفهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية الأخرى لباطن الأرض".

وقال ديوس إن هذه النتائج يمكن أن تغير فهم الباحثين لتكتونية الصفائح وكيف يمكن أن تتشكل حركة الصفائح بواسطة هذه المراسي القديمة الثابتة بالقرب من لب الأرض. وأضافت أن إجراء المزيد من التحليل للقارات العملاقة يمكن أن يكشف أيضًا عما إذا كانت مصدرًا لعناصر جيوكيميائية جيولوجية قديمة قدم الأرض نفسها تقريبًا والتي توجد في الحمم البركانية من أنواع معينة من البراكين.

"لقد كانت هذه القارات العملاقة موجودة منذ فترة طويلة - إذا كانت موجودة منذ مليار سنة، فقد تكون موجودة أيضًا منذ 4 مليارات سنة. قد تكون هي ذلك المستودع الخفي الذي قد تكون فيه هذه العناصر الكيميائية البدائية. لا يمكننا إثبات ذلك الآن، ولكن يمكن لعلماء الكيمياء الجيولوجية أن يبحثوا في هذا الأمر".

"من خلال هذه الدراسة، أعتقد أنه سيكون هناك الكثير من الأبحاث الإضافية التي قد تجيب على الكثير من الأسئلة العالقة التي كانت تحير العلماء على مر العصور."