تداول المياه في عمق الأرض الداخلية
تحديد المبادئ الأولى للحدود مرحلة التفكك من المرحلة H MgSiO4H2
يعتبر وجود الماء في أعماق الأرض دورًا مهمًا في الديناميكا الجيولوجية ، لأن الماء يغير بشكل كبير الخصائص الفيزيائية لصخور الوشاح ، مثل درجة حرارة الانصهار والتوصيل الكهربائي والخواص الريولوجية. يتم نقل المياه إلى الأرض العميقة بواسطة المعادن المائية في لوحات التبريد الباردة. تحتوي المعادن المائية ، مثل معادن السربنتين والميكا والطين ، على الماء في شكل هيدروكسيل (-OH) في التركيب البلوري. تتحلل معظم المعادن المائية إلى المعادن اللامائية والمياه عندما يتم نقلها إلى عمق الأرض ، على عمق 40-100 كم ، بسبب ارتفاع درجة الحرارة وظروف الضغط.
يعتبر وجود الماء في أعماق الأرض دورًا مهمًا في الديناميكا الجيولوجية ، لأن الماء يغير بشكل كبير الخصائص الفيزيائية لصخور الوشاح ، مثل درجة حرارة الانصهار والتوصيل الكهربائي والخواص الريولوجية. يتم نقل المياه إلى الأرض العميقة بواسطة المعادن المائية في لوحات التبريد الباردة. تحتوي المعادن المائية ، مثل المعادن السربنتين والميكا والطين ، على H2O في شكل هيدروكسيل (-OH) في التركيب البلوري. تتحلل معظم المعادن المائية إلى المعادن اللامائية والمياه (H2O) عندما يتم نقلها إلى عمق الأرض ، على عمق 40-100 كم ، بسبب ارتفاع درجة الحرارة وظروف الضغط.
ومع ذلك ، فقد تم الإبلاغ أيضًا عن أن بعض المعادن المائية ، والتي تسمى سيليكات المغنيسيوم المائية الكثيفة (DHMSs) ، قد تعيش في الجزء الأعمق من باطن الأرض إذا كانت اللوح البارد أبرد بكثير من الوشاح المحيط. DHMS هي سلسلة من المعادن المائية التي تتمتع بثبات عالٍ تحت ضغط باطن الأرض العميق. ويشار إلى DHMS أيضًا باسم "المراحل الأبجدية": المرحلة A ، المرحلة B ، المرحلة D ، إلخ.
حتى وقت قريب كانت المرحلة D (التركيب الكيميائي: MgSi2O6H2) معروفة بأنها أعلى مرحلة ضغط لـ DHMSs. ومع ذلك ، أجرت Tsuchiya 2013 حساب المبادئ الأولى (طريقة حسابية نظرية تعتمد على ميكانيكا الكم) للتحقق من ثبات المرحلة D تحت الضغط ووجدت أن هذه المرحلة تتحول إلى مرحلة جديدة بتركيبة كيميائية من MgSiO4H2 (بالإضافة إلى stishovite ، ضغط عالي شكل SiO2 ، إذا كان النظام يحتفظ بنفس التركيبة الكيميائية) فوق 40 GPa (GPa = 109 Pa). تم تأكيد هذه المرحلة المتوقعة تجريبيًا بواسطة Nishi et al. 2014 وسميت "المرحلة H." يشير الحساب النظري الذي أجراه تسوتشيا 2013 أيضًا إلى أن المرحلة ح تتحلل أخيرًا إلى MgSiO3 اللامائي من خلال إطلاق H2O بمزيد من الانضغاط.
على الرغم من أن الحساب النظري قد قدر ضغط التحلل في المرحلة H حول منتصف الوشاح السفلي (من 660 كم إلى 2900 كم) ، لم يتم التوصل إلى تحديد مفصل بعد ، لأن تقدير طاقة Gibbs الخالية من H2O كان ضروريًا تحديد ضغط التحلل في المرحلة H. الطاقة Gibbs الحرة هي القدرة الحرارية الديناميكية التي يمكن أن تحدد استقرار النظام. في ظروف انخفاض الوشاح ، تشتمل طور H2O على بنية بلورية ذات أوضاع هيدروجين مضطربة ، أي أن مواضع الهيدروجين موزعة إحصائيًا بين عدة مواقع مختلفة. من أجل حساب الحالة المضطربة للهيدروجين ، قام كل من تسوتشيا وأوميموتو 2019 بحساب عدة أوضاع هيدروجين مختلفة وتقدر طاقة جيبس الخالية من H2O باستخدام تقنية تعتمد على الميكانيكا الإحصائية.
نتيجة لذلك ، قدّروا ضغط التحلل في المرحلة H بنحو 62 GPa عند 1000 K ، أي ما يعادل عمق 1500 كيلومتر تقريبًا. تشير هذه النتيجة إلى أن نقل المياه عن طريق طرح الصفيحة ينتهي في منتصف الوشاح السفلي في نظام Mg-Si-O. اقترح تسوتشيا وأوميموتو 2019 أيضًا أن الجليد السطحي يمكن أن يستقر عند تحلل المرحلة H في الصفيحة المقربة. في الجليد فوق السطحي ، تتبلور ذرات الأكسجين في نقاط شعرية بينما ذرات الهيدروجين متحركة بحرية. لم يتم تحديد التفاعلات الكيميائية بين الجليد فوقي والمعادن المحيطة به ، لكن انتشار الهيدروجين العالي في الجليد فوقي قد ينتج تفاعلات أسرع من التفاعل في الجليد الصلب ، ولكن يختلف عن الماء ، المرحلة السائلة من H2O.
تحديد المبادئ الأولى للحدود مرحلة التفكك من المرحلة H MgSiO4H2
يعتبر وجود الماء في أعماق الأرض دورًا مهمًا في الديناميكا الجيولوجية ، لأن الماء يغير بشكل كبير الخصائص الفيزيائية لصخور الوشاح ، مثل درجة حرارة الانصهار والتوصيل الكهربائي والخواص الريولوجية. يتم نقل المياه إلى الأرض العميقة بواسطة المعادن المائية في لوحات التبريد الباردة. تحتوي المعادن المائية ، مثل معادن السربنتين والميكا والطين ، على الماء في شكل هيدروكسيل (-OH) في التركيب البلوري. تتحلل معظم المعادن المائية إلى المعادن اللامائية والمياه عندما يتم نقلها إلى عمق الأرض ، على عمق 40-100 كم ، بسبب ارتفاع درجة الحرارة وظروف الضغط.
يعتبر وجود الماء في أعماق الأرض دورًا مهمًا في الديناميكا الجيولوجية ، لأن الماء يغير بشكل كبير الخصائص الفيزيائية لصخور الوشاح ، مثل درجة حرارة الانصهار والتوصيل الكهربائي والخواص الريولوجية. يتم نقل المياه إلى الأرض العميقة بواسطة المعادن المائية في لوحات التبريد الباردة. تحتوي المعادن المائية ، مثل المعادن السربنتين والميكا والطين ، على H2O في شكل هيدروكسيل (-OH) في التركيب البلوري. تتحلل معظم المعادن المائية إلى المعادن اللامائية والمياه (H2O) عندما يتم نقلها إلى عمق الأرض ، على عمق 40-100 كم ، بسبب ارتفاع درجة الحرارة وظروف الضغط.
ومع ذلك ، فقد تم الإبلاغ أيضًا عن أن بعض المعادن المائية ، والتي تسمى سيليكات المغنيسيوم المائية الكثيفة (DHMSs) ، قد تعيش في الجزء الأعمق من باطن الأرض إذا كانت اللوح البارد أبرد بكثير من الوشاح المحيط. DHMS هي سلسلة من المعادن المائية التي تتمتع بثبات عالٍ تحت ضغط باطن الأرض العميق. ويشار إلى DHMS أيضًا باسم "المراحل الأبجدية": المرحلة A ، المرحلة B ، المرحلة D ، إلخ.
حتى وقت قريب كانت المرحلة D (التركيب الكيميائي: MgSi2O6H2) معروفة بأنها أعلى مرحلة ضغط لـ DHMSs. ومع ذلك ، أجرت Tsuchiya 2013 حساب المبادئ الأولى (طريقة حسابية نظرية تعتمد على ميكانيكا الكم) للتحقق من ثبات المرحلة D تحت الضغط ووجدت أن هذه المرحلة تتحول إلى مرحلة جديدة بتركيبة كيميائية من MgSiO4H2 (بالإضافة إلى stishovite ، ضغط عالي شكل SiO2 ، إذا كان النظام يحتفظ بنفس التركيبة الكيميائية) فوق 40 GPa (GPa = 109 Pa). تم تأكيد هذه المرحلة المتوقعة تجريبيًا بواسطة Nishi et al. 2014 وسميت "المرحلة H." يشير الحساب النظري الذي أجراه تسوتشيا 2013 أيضًا إلى أن المرحلة ح تتحلل أخيرًا إلى MgSiO3 اللامائي من خلال إطلاق H2O بمزيد من الانضغاط.
على الرغم من أن الحساب النظري قد قدر ضغط التحلل في المرحلة H حول منتصف الوشاح السفلي (من 660 كم إلى 2900 كم) ، لم يتم التوصل إلى تحديد مفصل بعد ، لأن تقدير طاقة Gibbs الخالية من H2O كان ضروريًا تحديد ضغط التحلل في المرحلة H. الطاقة Gibbs الحرة هي القدرة الحرارية الديناميكية التي يمكن أن تحدد استقرار النظام. في ظروف انخفاض الوشاح ، تشتمل طور H2O على بنية بلورية ذات أوضاع هيدروجين مضطربة ، أي أن مواضع الهيدروجين موزعة إحصائيًا بين عدة مواقع مختلفة. من أجل حساب الحالة المضطربة للهيدروجين ، قام كل من تسوتشيا وأوميموتو 2019 بحساب عدة أوضاع هيدروجين مختلفة وتقدر طاقة جيبس الخالية من H2O باستخدام تقنية تعتمد على الميكانيكا الإحصائية.
نتيجة لذلك ، قدّروا ضغط التحلل في المرحلة H بنحو 62 GPa عند 1000 K ، أي ما يعادل عمق 1500 كيلومتر تقريبًا. تشير هذه النتيجة إلى أن نقل المياه عن طريق طرح الصفيحة ينتهي في منتصف الوشاح السفلي في نظام Mg-Si-O. اقترح تسوتشيا وأوميموتو 2019 أيضًا أن الجليد السطحي يمكن أن يستقر عند تحلل المرحلة H في الصفيحة المقربة. في الجليد فوق السطحي ، تتبلور ذرات الأكسجين في نقاط شعرية بينما ذرات الهيدروجين متحركة بحرية. لم يتم تحديد التفاعلات الكيميائية بين الجليد فوقي والمعادن المحيطة به ، لكن انتشار الهيدروجين العالي في الجليد فوقي قد ينتج تفاعلات أسرع من التفاعل في الجليد الصلب ، ولكن يختلف عن الماء ، المرحلة السائلة من H2O.
تعليقات
إرسال تعليق