دمای زمین
گرادیان دما در درون زمین
تعیین دمای زمین بهسادگی تعیین فشار نیست. چاههای عمیق فقط چند کیلومتر بالایی پوسته را کاوش میکنند و برونیابی دماهای اندازهگیری شده در این چاهها تا بخشهای پایینی پوسته و گوشتهی بالایی، با مشکلاتی همراه است. بنابراین عجیب نیست که برآوردهای متفاوت زیادی از گرادیان زمینگرمایی را در نوشتارها مشاهده میکنیم. تحقیقات تجربی فشار بالا در مورد ذوب سنگها، ملاحظات نسبتاً درستی در مورد گرادیان زمینگرمایی نزدیکِ سطح زمین به ما میدهد و در مورد دمای اعماق گوشته و هسته فقط ملاحظاتی را بهدست میدهند.
از آنجا که مرز میان هستهی داخلی و خارجی، بهعنوان گذر از آهن جامد به آهن مایع که با نیکل و چند عنصر سبک رقیق شده است، تفسیر میشود. آزمایشهای فشار بالا را میتوان برای پی بردن به دمای این مرز بهکار برد، اما دستیافتن به این دما در فشار GPa 329 مشکل است و در حال حاضر فقط در آزمایشهای ضربهای (شُک) میتوان به آن دست یافت؛ در این روش یک پرتابه توسط تفنگ گازی دو مرحلهای (دو زمانه) به سوی هدف تجربی شلیک میشود. نتایج آزمایشهای استاتیک فشار پایین با کمک سندانهای الماسی را میتوان تا فشارهای بالا برونیابی کرد. البته پیرامون همهی این کارهای تجربی و برونیابی آن تا شرایط مرز هستهی درونی را عدم قطعیتهای زیادی احاطه کرده است. بعلاوه دربارهی تأثیر افزودن اجزای دیگر بر نقطهی ذوب آهن، اطلاعات اندکی وجود دارد. با همهی این عدم قطعیتها، فقط باید گفت که دمای مرز هستهی درونی، نزدیک به 5000 درجهی کلوین است.
گرادیانهای دمایی در هستهی بیرونی مایع باید عمدتاً توسط همرفت کنترل شوند و در وضعیت محدود کننده، از آنچه که بهنام آدیابات موسوم است پیروی میکنند؛ یعنی مایع همرفت کننده در حین بالا آمدن به سمت مرز هسته- گوشته، هیچ گرمایی بهدست نمیآورد یا از دست نمیدهد، اما با منبسط شدن مایع، دمای آن کاهش مییابد. این حقیقت که هستهی بیرونی در مرز هسته- گوشته هنوز مایع است نشان میدهد که دما باید از نقطهی ذوب آهن (بهاضافهی اجزای دیگر) در این عمق بالاتر باشد. آزمایشهای فشار بالا نشان میدهند که در فشار GPa 136 در این مرز، دما باید از حدود 4000 درجهی کلوین بالاتر باشد.
دادههای لرزهای حاکی از آن است که گوشتهی پایینی جامد است. بنابراین دما در سرتاسر گوشتهی پایینی باید پایینتر از نقطهی ذوب مواد سازندهی آن باشد. تنها استثنا احتمالاً قاعدهی لایهی D² است که منطقهی بسیار کمسرعت در آن نشان میدهد که ذوب بخشی احتمالاً در نزدیکی مرز هسته- گوشته رخ میدهد. آزمایشها و محاسبات نظری نشان میدهند که نقطهی ذوب برونیابی شده برای MgSiO3 خالص با ساختمان پروسکیت (بهعنوان یکی از اجزای اصلی گوشتهی پایینی)، در فشار GPa 136 (فشار مرز هسته- گوشته)، K 600±5400 است (استیکسرود و کارکی، 2005). افزودن اجزای دیگر، این نقطهی ذ.ب را بهاندازهی 1300 درجهی کلوین پایین خواهد آورد. بنابراین دما در قاعدهی گوشته باید کمتر از 3500 تا 5200 درجهی کلوین باشد (یا اگر مذاب وجود داشته باشد، باید نزدیک به این اعداد باشد)؛ این موضوع با دمای تقریبی برآورد شده برای آهن مذاب در هستهی بیرونی سازگار است.
گرچه گوشته جامد است، محاسبات نشان میدهند که گوشته باید همرفت کند و بنابراین گرادیان دماییِ تقریباً آدیاباتیک بین 25/0 و 3/0 درجهی کلوین در هر کیلومتر خواهد داشت. به کمک کارهای تجربی میتوان این گرادیان را تا K 100±1900 در عمق 660 کیلومتری ادامه داد که در این عمق، ترکیب الیوین از ساختمان اسپینل به ساختمان پروسکیت تبدیل میشود. بنابراین گرادیان آدیاباتیکِ Kkm-1 3/0، دمای حدود 2500 درجهی کلوین را در عمق 2600 کیلومتری میدهد. در زیر این عمق، لایهی D² بهعنوان یک لایهی مرزی حرارتی قرار دارد که دمای آن باید بهسرعت تا حدود 1500 درجهی کلوین افزایش یابد و به 4000 درجهی کلوین در هستهی بیرونی برسد.
گرادیان زمینگرمایی در اعماق کمتر گوشته را میتوان براساس اندازهگیریهای نزدیک سطح زمین و براساس دانش رفتار تجربی ذوب سنگها در این اعماق، برونیابی کرد. اندازهگیریها در معادن عمیق و چاهها، نشان میهد که گرادیان زمینگرمایی نزدیکِ سطح زمین (dT/dz) از 10 تا 60 درجهی سانتیگراد در هر کیلومتر متغیّر است و مقدار شاخص آن در مناطق غیرکوهزایی، نزدیک به 25 درجهی سانتیگراد در هر کیلومتر است (شکل 9). اگر این گرادیان تا اعماق ادامه یابد، دما در عمق 25 کیلومتری (GPa 65/0)، 625 درجهی سانتیگراد خواهد بود. آزمایشها نشان میدهند که سنگهای پوستهای در حضور آب در این شرایط ذوب شده و ماگمای گرانیتی تولید میکنند. عبور امواج لرزهای بُرشی از این بخش پوسته، نشان میدهد که ذوب در این عمق، پدیدهای رایج و متداول نیست. بهطور مشابه در عمق 40 کیلومتری (GPa 2/1)، گرادیان زمینگرماییِ 25 درجهی سانتیگراد در هر کیلومتر، به 1000 درجهی سانتیگراد خواهد رسید و پریدوتیت (سنگ تشکیل دهندهی گوشته در این عمق) در حضور آبِ اضافی، شروع به ذوب خواهد کرد. در عمق 52 کیلومتری (GPa 6/1)، دما 1300 درجهی سانتیگراد خواهد بود که از دمای شروع ذوب پریدوتیت خشک نیز فراتر است. باز هم دادههای لرزهای، ذوب بزرگمقیاس در این عمق را تأیید نمیکنند. روشن است که گرادیان زمینگرماییِ نزدیک سطح زمین، باید با افزایش عمق کاهش یابد. اکنون این سؤال مطرح میشود که چرا گرادیان زمینگرمایی با عمق کاهش مییابد و آیا میتوان تغییرات آن را محاسبه و پیشگویی کرد؟
تلفیقی از مشاهدات پترولوژیکی و ژئوفیزیکی به ما اجازه میدهد محدودیتهایی بر دمای چندین نقطه از منحنی زمینگرما اِعمال کنیم. در عمق 60 تا 100 کیلومتری (مرز بالایی منطقهی کمسرعت)، سرعت امواج لرزهای بهطور ناگهانی تا حدود 10 درصد کاهش مییابد. این مرز احتمالاً مرز بین پریدوتیت جامد در بالا و پریدوتیتِ اندکی ذوب شده در پایین است. لایهی نازکی از مذاب در مرز دانهها میتواند سختی (صلبی) سنگ را بهمقدار زیاد کاهش دهد و انرژی امواج لرزهای را بهشدت پایین آورد. آزمایشها نشان میدهند که پریدوتیتِ اشباع از آب در دمای حدود 1000 درجهی سانتیگراد در فشار GPa 2 (عمق 70 کیلومتر) شروع به ذوب میکند (شکل 9). مرز بالایی منطقهی کمسرعت، مرز میان لیتوسفر و آستنوسفر است. قاعدهی منطقهی کمسرعت در عمق 250 کیلومتر، با افزایش اندکِ آهنگ افزایش سرعت با عمق، مشخص میشود. این عمق بهعنوان عمقی تفسیر شده است که در آن، منحنی P-T برای شروع ذوب پریدوتیت گوشتهای، دوباره منحنی زمینگرمایی را قطع میکند. بنابراین در اعماق بیشتر از 250 کیلومتری، گوشته جامد است. این مسأله، حدّ بالاییِ تقریبی 1500 درجهی سانتیگراد را در عمق 250 کیلومتری قرار میدهد.
وبلاگ خبوشان متعلق به گروه زمین شناسی "اداره آموزش و پرورش شهرستان قوچان" بوده و صرفابه منظور تبادل اطلاعات علوم زمین میان دبیران محترم و سایر علاقمندان فعالیت می نماید.