تشخیص یک انتقال کوانتومی در اعماق زمین

مدت ها پیش پیش بینی می شد که در فشارهای خرد شدن الکترون های گوشته پایین زمین دچار یک تغییر کوانتومی شوند. اما تا کنون چندین دهه از تشخیص ژئوفیزیکی فرار کرده بود. مطالعه ای در Nature Communications با مطالعه سردترین و گرم ترین مناطق این امضا را پیدا کرد و نشان می دهد که درون سیاره ما پیچیده تر از آن چیزی است که ما فکر می کردیم.

چرخشی سریع در مورد شیمی و فیزیک

فروپریکلاز دومین کانی فراوان در گوشته پایین سنگی زمین (عمق 660-2900 کیلومتر) است. یکی از اجزای سازنده اصلی این ماده معدنی آهن است و یکی از این عناصر است که می تواند خاصیت "چرخش" داشته باشد. خیلی ساده، چرخش متقاطع آهن با تغییر حالت کوانتومی یک الکترون (در اینجا به طور خاص برای Fe 2+ در فروپریکلاز) از حالت اسپین بالا به حالت اسپین پایین با افزایش فشار در داخل زمین (افزایش عمق) مرتبط است.. به عبارت دیگر، در برخی از عمق ها، تمام Fe 2+ در حالت چرخش زیاد و در عمق بیشتر، تمام Fe 2+ در حالت اسپین پایین قرار خواهند گرفت. متقاطع منطقه ای است که هر دو ایالت در آن وجود دارند. تقریبا 60 سال پیش یک چرخش متقاطع در آهن توسط فیزیک نظری پیش‌بینی شد و حدود 30 سال پیش با آزمایش‌های آزمایشگاهی فشار بالا ثابت شد. با این حال، از آن زمان تاکنون از تشخیص واضح در داده های ژئوفیزیک طفره رفته است.

یافتن متقاطع اسپین آهنی برای درک تکامل زمین مهم است، زیرا، برای مثال، بر دینامیک غرق شدن دال سنگ‌کره اقیانوسی و بالا آمدن ستون‌ها تأثیر می‌گذارد. همچنین دارای مفاهیمی برای ترکیب عمده زمین و تکامل آن از زمان شکل گیری سیاره است. به این ترتیب، این موضوعی است که برای هر کسی که در مورد مواد شیمیایی، حرارتی و دینامیک زمین مطالعه می کند، مرتبط است.

دانشمندان و گروه‌های متعددی در طول دهه‌ها بر روی درک و روشن کردن متقاطع اسپین کار کرده‌اند. خوشبختانه تغییر حالت اسپین (در آهن در فروپریکلاز) دارای تعدادی پیش بینی است که می توان بیشتر مورد بررسی قرار داد. به عنوان مثال، متقاطع چرخش زیاد به پایین:

1. پیش‌بینی می‌شود در شرایطی در حدود 1500 کیلومتر عمق رخ دهد، 2. وابستگی به دما نشان می‌دهد، و 3. بر مدول توده (مقاومت یک ماده در برابر فشار) تأثیر می‌گذارد اما بر مدول برش (مقاومت ماده در برابر برش) تأثیر نمی‌گذارد. پیامدهایی برای انتشار امواج مختلف لرزه ای دارد.

کارهای اولیه نکات واضح نشان می داد که اتفاق غیرمعمول در مانتوی میانی پایین رخ می دهد. به عنوان مثال ، بر اساس تصاویر لرزه ای ، به نظر می رسید که دلها و ستون ها مختل شده ، ناپدید می شوند یا متوقف می شوند. با این حال ، پیوند روشنی به پیش بینی های چرخش آهن چرخش هنوز از دست رفته بود. به طور خاص ، یک چالش این بود که هنگام نگاه به میانگین جهانی سرعت لرزه ای ، هیچ سیگنال روشنی از پیش بینی پیش بینی شده وجود ندارد. این سؤال می کند که آیا این کشور در فروپریکلاز وجود دارد ، تا چه اندازه بر خصوصیات مادی تأثیر می گذارد ، و/یا واقعاً فروپریکلاز فراوان است. با این حال ، این خط سؤال همچنین اظهار داشت که مناطق مختلف گوشته نیاز به بررسی جداگانه دارد.

محققان از نروژ ، توکیو و ایالات متحده آمریکا "اسلحه سیگار کشیدن" را برای چرخش آهن به دست آوردند.

یافتن سیگنال در توموگرافی لرزه ای.

توموگرافی لرزه ای یکی از بهترین روش هایی است که علوم زمین شناسان برای تصویر کردن امکانات زمین امروز دارند. از امواج ایجاد شده توسط زمین لرزه ها استفاده می کند و در ایستگاه های زلزله شناسی جهانی برای نقشه برداری از فضای داخلی ثبت می شود. تصاویر ماده ای را نشان می دهد که این دو نوع موج لرزه ای را سریعتر یا کندتر از حد متوسط پخش می کند. صفحات سرد و خنک کننده لیتوسفر اقیانوسی به طور معمول به عنوان ناهنجاری های لرزه ای سریع (که اغلب با رنگ های آبی به تصویر کشیده می شوند) تصویر می شوند و گل های مانتوی گرم و بالا به عنوان ناهنجاری های لرزه ای آهسته (رنگ های قرمز) (شکل 2).

محققان در مورد رفتار متفاوت متقاطع چرخش برای امواج P و امواج S ، دو نوع مشخص از امواج لرزه ای که از طریق زمین پخش می شوند ، بررسی کردند. همانطور که گفته شد ، تصاویر لرزه ای مدتهاست که اختلاف بین تصاویر موج P و S را در اعماق میانه کاشته شده نشان داده اند ، به خصوص در مناطقی که با سرعت لرزه ای بالا رفته است. به طور خاص ، امضاهای موج P از ویژگی های برجسته سریع در مقایسه با همتایان موج S خود خاموش می شوند (شکل 1 پنل B). همانطور که معلوم است ، دقیقاً این نوع رفتار برای سنگ حاوی مقادیر قابل قبول فروپریکلاز در شرایط میانه کاشته شده پیش بینی می شود. متقاطع چرخش Ferropericlase شامل کاهش حجم و نرم شدن است که مربوط به کاهش مدول فله است. فاصله متقاطع از سطح عمیق تری شروع می شود و در عمق و فشار گسترده تر در دماهای بالاتر گسترش می یابد. هنگامی که آنها به دنبال این امضای در مناطق لرزه ای آهسته ، مربوط به دمای بالاتر (شکل 1 پانل C) بودند ، آنها دوباره شواهدی برای تضعیف موج P ، نسبت به ویژگی های موج S در عمق بیشتر ، همانطور که پیش بینی شده بود ، پیدا کردند. این سیگنال ها با موارد محاسبات فیزیک معدنی مطابقت دارند ("شروع" در شکل 1).

کار اولیه توسط نویسنده اصلی گریس شفارد شامل جستجوی مدلهای مختلف توموگرافی مختلف تولید شده توسط جامعه زلزله شناسی و جستجوی رایج ترین ویژگی ها از طریق "نقشه های رأی" بود. نتایج نشان داده شده در این مقاله جدید در مدل های جداگانه مشخص شد اما هنگام نگاه به هشت مدل مختلف (4 موج P و 4 موج S) به طور جمعی از طریق نقشه های رأی ، بهترین روش روشن شدند (شکل 1).

اتم های کوچک ، پیامدهای بزرگ.

عدم وجود اثرات یک متقاطع چرخش در پروفایل های لرزه ای به طور متوسط در سطح جهانی از گوشته زمین نشان می دهد که تغییرات در مقیاس بزرگ در ترکیب شیمیایی ممکن است لازم باشد. یکی از این احتمال وجود مناطق عظیم در میانه قوطی حاوی سنگ هایی است که دارای فروپریکلاز کمی هستند (و بنابراین منجر به هیچ امضای قابل مشاهده از یک متقاطع چرخش نمی شود). اعضای همان تیم حضور چنین ویژگی هایی را در میانه کانتر پیشنهاد کردند که الگوی همرفت عمیق زمین زمین را لنگر می زند و به دلیل قدرت و مقاومت بالای آنها در برابر جریان همرفت ، بیش از میلیارد ها سال ادامه می یابد. آنها این "ساختارهای جنجالی باستانی غنی شده بریگمانیت" یا تیرها را نامیده اند (Bridgmanite فراوان ترین مواد معدنی موجود در زمین است و همچنین قوی ترین است) ، و گمان می کنند که آنها ممکن است کنترل اساسی را بر روی الگوی حرکات صفحه تکتونیک بر سر تاریخ زمین اعمال کنند. بشربا این حال ، این فقط یک امکان است. فراتر از تشخیص متقابل ، این مطالعه همچنین نشان می دهد که قدرت همکاری های بین رشته ای را نشان می دهد. پیشرفت های هیجان انگیز بسیاری وجود دارد که هنوز هم در درک فضای داخلی عمیق انجام می شود.

مخاطب: گریس شفارد. ایمیل: grace. shephard@geo. uio. no

جزئیات انتشار: Shephard ، G. E. ، Houser ، C. ، Helund ، J. W. والنسیا-کاردونا ، J. J. ، Trønnes ، R. G. ، Wentzkovitch ، R. M. بیان لرزه نگاری متقاطع چرخش آهن در فروپریکلاز در گوشته تحتانی زمین. Nat Commun 12 ، 5905 (2021). https://doi. org/10. 1038/S41467-021-26115-Z

همچنین می توانید مدل های توموگرافی را ترسیم کرده و نقشه ها را در وب سایت Submachine رأی دهید.

این پروژه همکاری بین دو مؤسسه تحقیقاتی دانشگاهی است که به درک جنبه های مرتبط با تکامل زمین و زندگی اختصاص داده شده است: مرکز تکامل زمین و پویایی (CEED ، دانشگاه اسلو) و موسسه علوم زمین زمین (السی ، موسسه توکیوفن آوری). CEED و ELSI هر دو توسط ابتکارات ملی دولت های نروژ و ژاپن (به ترتیب) برای دستیابی به پیشرفت های علمی با گرد هم آوردن دانشمندان از رشته های مختلف و اتخاذ استراتژی های جدید برای تحقیق پشتیبانی می شوند.

منتشر شده در 12 اکتبر 2021 4:53 بعد از ظهر - آخرین اصلاح شده در 13 اکتبر 2021 3:55 بعد از ظهر

• در فیسبوک به اشتراک بگذارید
• در توییتر به اشتراک بگذارید