وشاح الأرض

البنية الداخلية للأرض.

وشاح الأرض (إنگليزية: Earth's mantle)، هي طبقة من صخور السليكات بين القشرة واللب الخارجي. تبلغ كتلته 4.01×1024 kg (8.84×1024 lb) ومن ثم فهو يشكل 67% كتلة الأرض.[1] وتبلغ سماكته 2900 كم [1] مما يجعله يشكل حوالي 84% من حجم الأرض. غالبًا ما يكون صلبًا، لكن على المقياس الزمني الجيولوجي، فإنه يسلك كما لو أنه مائع لزج، يوصف أحيانًا بأنه يشبه قوام الكراميل.[2][3] الانصهار الجزئي للوشاح عند حيودات وسط المحيط ينتج القشرة المحيطية، والذوبان الجزئي للوشاح في مناطق الاندساس ينتج القشرة القارية.[4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

البنية

الريولوجيا

ينقسم وشاح الأرض إلى طبقتين رئيسيتين ريولوجياً: الغلاف الصخري الصلب الذي يشتمل على الوشاح العلوي، وطبقة الغلاف الموري الأكثر مطيلية، يفصلهما حدود الغلاف الصخري-الغلاف الموري. يبلغ سمك الغلاف الصخري أسفل القشرة المحيطية حوالي 100 كم، بينما يبلغ سمك الغلاف الصخري أسفل القشرة القارية عمومًا من 150-200 كم.[5] يكون الغلاف الصخري والقشرة المغلفة الصفائح التكتونية، والتي تتحرك فوق الغلاف الموري.

ينقسم وشاح الأرض إلى ثلاث طبقات رئيسية تحددها التغيرات المفاجئة في التسارع الزلزالي:[6]

يشكل الجزء السفلي من الوشاح السفلي حوالي 200 كم الطبقة D" (D-double-prime)، وهي منطقة ذات خصائص زلزالية شاذة. تحتوي هذه المنطقة أيضًا على large low-shear-velocity provinces ومناطق السرعة المنخفضة للغاية.

التركيب المعدني

التحولات المعدنية في الوشاح.

يُحدد الجزء العلوي من الوشاح من خلال الزيادة المفاجئة في التسارع الزلزالي، والذي لوحظ لأول مرة بواسطة أندريا موهوروڤتشيتش عام 1909؛ يشار إلى هذه الحدود الآن باسم انقطاع موهوروڤتشيتش أو "انقطاع موهو".[8][9]

يتكون الوشاح العلوي بشكل رئيسي من الپريدوتيت، ويتألف أساسًا من نسب متغيرة من معدن الأوليڤين واكلينوپيروكسين والأورثوپيروكسين وطور شبي. الطور الشبي هو الپلاگيوكلاس في الوشاح العلوي، ثم الإسپينل، ثم العقيق على أقل من ~100 كم.[10] تدريجيًا من خلال الوشاح العلوي، تصبح الپيروكسينات أقل استقرارًا وتتحول إلى عقيق ماجوريت.[11]

في الجزء العلوي من المنطقة الانتقالية، يخضع الأوليڤين لتحولات طور متساوي كيميائي إلى الوادسلايت والرينگوودايت. على عكس الأوليڤين اللامائي اسميًا، فإن هذه الأشكال متعددة الأطوار من الأوليڤين ذات الضغط العالي لديها قدرة كبيرة على تخزين المياه في هيكلها البلوري. وقد أدى ذلك إلى فرضية أن المنطقة الانتقالية قد تستضيف كمية كبيرة من المياه.[12] عند قاعدة المنطقة الانتقالية، يتحلل الرينگوودايت إلى بريدگمانيت (كان يُسمى في السابق پيروڤسكايت سيليكات المغنيسيوم)، وفروپيريكلاس. يصبح العقيق أيضًا غير مستقر عند قاعدة المنطقة الانتقالية أو أسفلها قليلاً.[13]

يتكون الوشاح السفلي بشكل أساسي من البريدگمانيت والفروپيريكلاس، مع كميات صغيرة من پيروفسكايت الكالسيوم، وأكسيد مركب من الفريت-الكالسيوم، والستيشوڤيت. تحت ~ 200 كم من الوشاح، يتحول البريدگمانيت إلى مادة ما بعد الپيروڤسكايت.[14]

التكوين

صخور الپريدوتيت الدخيلة الخضراء من الوشاح محاطة بحمم بركانية سوداء. نُقلت هذه الصخور الپريدوتيتية إلى أعلى من الوشاح بواسطة الصهارة المنصهرة أثناء ثوران بركاني في أريزونا.

يصعب تحديد التركيب الكيميائي للوشاح بدرجة عالية من اليقين لأنه يتعذر الوصول إليه إلى حد كبير. تحدث حالات التعرض النادرة لصخور الوشاح في صخور الاوفيوليت، حيث توجد أجزاء من الغلاف الصخري المحيطي مندسة على الغلاف القاري. كما تؤخذ عينات من صخور الوشاح على أنها صخور دخيلة داخل البازلت أو الكيمبرلايت.


تركيب الوشاح العلوي للأرض (MORB مستنفد)[15][16]
المركب نسبة الكتلة
SiO2 44.71
Al2O3 3.98
FeO 8.18
MnO 0.13
MgO 38.73
CaO 3.17
Na2O 0.13
Cr2O3 0.57
TiO2 0.13
NiO 0.24
K2O 0.006
P2O5 0.019

تستند معظم تقديرات تكوين الوشاح إلى الصخور التي تؤخذ كعينات من الوشاح العلوي فقط. هناك جدل حول ما إذا كان بقية الوشاح، وخاصة الوشاح السفلي، له نفس التكوين الحجمي.[17] تغير تكوين الوشاح عبر تاريخ الأرض بسبب خروج الصهارة التي تجمدت لتشكل قشرة المحيطات والقشرة القارية.

اقترح أيضًا في دراسة أجريت عام 2018 أن شكلًا غريبًا من الماء يُعرف باسم الجليد السابع يمكن أن يتشكل من الماء فوق الحرج في الوشاح عندما يتحرك الماس الذي يحتوي على فقاعات الماء المضغوط إلى أعلى، مما يؤدي إلى تبريد الماء إلى الظروف اللازمة لتشكيل الجليد السابع.[18]

درجة الحرارة والضغط

في الوشاح، تتراوح درجة الحرارة من 500 كلڤن تقريباً عند الحدود العلوية مع القشرة وحوالي 4200 كلڤن عند حدود الوشاح مع اللب.[19] تزداد درجة حرارة الوشاح بسرعة في الطبقات الحدودية الحرارية أعلى وأسفل الوشاح، وتزداد تدريجيًا عبر الجزء الداخلي من الوشاح.[20] على الرغم من أن درجات الحرارة العليا تتجاوز بكثير نقطة الانصهار لصخور الوشاح على السطح (حوالي 1500 كلڤن للپريدوتيت التمثيلي)، فإن الوشاح يكون صلباً بشكل حصري تقريباً.[21]

الضغط الصخري الهائل الذي يقع تحته الوشاح يمنع الذوبان، لأن درجة الحرارة التي يبدأ عندها الذوبان (منحنى التصلد) في الازدياد مع الضغط.

يزداد الضغط في الوشاح من بضع مئات من الميجاباسكال عند حدود موهو إلى 139 جيجاباسكال عند حدود الوشاح مع اللب.[19]

الحركة

هذا الشكل هو لقطة لخطوة زمنية واحدة في نموذج الحمل الحراري بالوشاح. الألوان الأقرب إلى الأحمر هي المناطق الساخنة والألوان الأقرب إلى اللون الأزرق هي المناطق الباردة. في هذا الشكل، ينتج عن الحرارة المستقبلة عند حدود اللب-الوشاح تمدد حراري للمادة في أسفل النموذج، مما يقلل كثافته ويتسبب في إرسال أعمدة من المادة الساخنة إلى الأعلى. وبالمثل، يؤدي تبريد المادة على السطح إلى غرقها.

بسبب اختلاف درجة الحرارة بين سطح الأرض واللب الخارجي وقدرة الصخور البلورية عند الضغط العالي ودرجة الحرارة على الخضوع للتشوه البطيء والزاحف واللزج على مدى ملايين السنين، هناك دوران للمادة الحاملة في الوشاح.[8] تتدفق المواد الساخنة إلى أعلى، بينما المواد الأكثر برودة (والأثقل) تغرق إلى أسفل. تحدث حركة هبوطية للمادة عند حدود الصفائح المتقاربة تسمى مناطق الاندساس. من المتوقع أن تحتوي المواقع الموجودة على السطح التي تقع فوق الأعمدة الصاعدة على ارتفاع عالٍ (بسبب طفو العمود الأكثر سخونة والأقل كثافة تحته) وأن تظهر بركانية النقاط الساخنة. غالبًا ما يُفسر النشاط البركاني المنسوب إلى أعمدة الوشاح العميق بالتمدد السلبي للقشرة، مما يسمح للصهارة بالتسرب إلى السطح: فرضية الصفيحة.[22]

حمل وشاح الأرض هو عملية فوضوية (بمعنى ديناميكيات الموائع)، والتي يُعتقد أنها جزء لا يتجزأ من حركة الصفائح. لا ينبغي الخلط بين حركة الصفائح والانجراف القاري الذي ينطبق فقط على حركة مكونات القشرة في القارات. تقترن حركات الغلاف الصخري والوشاح الأساسي لأن الغلاف الصخري الهابط هو مكون أساسي للحمل الحراري في الوشاح. الانجراف القاري المرصود هو علاقة معقدة بين القوى التي تتسبب في غرق الغلاف الصخري المحيطي والحركات داخل وشاح الأرض.

على الرغم من وجود ميل إلى وجود لزوجة أكبر عند عمق أكبر، إلا أن هذه العلاقة بعيدة كل البعد عن الخطية وتظهر طبقات ذات لزوجة منخفضة بشكل كبير، لا سيما في الوشاح العلوي وعند الحدود مع اللب.[23] يبدو أن الوشاح الذي يقع على بعد حوالي 200 كم فوق حد اللب والوشاح له خصائص زلزالية مختلفة تمامًا عن الوشاح في الأعماق الضحلة قليلاً. هذه المنطقة غير العادية من الوشاح فوق اللب تسمى D″ ("D double-prime")، تسمية طرحها الجيولوجي كيث بولن قبل 50 عاماً.[24] قد تتألف D″ قد تتكون من مادة من بلاطات مندسة والتي هبطة واستقرت عند حدود اللب-الوشاح أو من متعدد الأشكال المعدني الجديد المكتشف في الپيروڤسكايت المسمى ما بعد الپيروڤسكايت. الزلازل في الأعماق الضحلة هي نتيجة الفوالق؛ ومع ذلك، تحت حوالي 50 كم، يجب أن تمنع ظروف الضغط الحار والعالي المزيد من الزلازل. يعتبر الوشاح لزجًا وغير قادر على التصدع الهش. ومع ذلك، في مناطق الاندساس، لوحظت الزلازل تصل إلى 670 كم. اقترح عدد من الآليات لشرح هذه الظاهرة، بما في ذلك الجفاف والجفاف الحراري وتغير الطور. يمكن خفض التدرج الحراري الأرضي حيث تغرق المادة الباردة من السطح إلى أسفل، مما يزيد من قوة الوشاح المحيط، ويسمح للزلازل بالحدوث حتى عمق 400 كم و670 كم.[25]

يبلغ الضغط عند قاع الوشاح ~135 جيجاباسكال.[26] يزداد الضغط مع زيادة العمق، حيث يجب أن تتحمل المادة الموجودة تحتها وزن كل المواد الموجودة فوقها. ومع ذلك، يُعتقد أن الوشاح بأكمله يتشوه مثل السائل على نطاقات زمنية طويلة، مع تشوه دائم للبلاستيك تتكيف معه حركة النقطة و/أو الخط و/أو العيوب المستوية من خلال البلورات الصلبة التي يتكون منها الوشاح. تقديرات لزوجة الوشاح العلوي تتراوح بين 1019 و1024 Pa·s، بحسب العمق، [23] درجة الحرارة، التكوين، حالة التوتر، وعدد من العوامل الأخرى. وبالتالي، يمكن أن يتدفق الوشاح العلوي فقط ببطء شديد. ومع ذلك، عندما يكون هناك قوى كبيرة على الوشاح العلوي، يمكن أن تصبح أضعف، ويُعتقد أن هذا التأثير هام في السماح بتشكيل حدود الصفائح التكتونية.[27]

الاستكشاف

يستكشاف الوشاح بشكل عام في قاع البحر وليس على اليابسة بسبب النحافة النسبية للقشرة المحيطية مقارنة بالقشرة القارية الأكثر سمكًا بشكل ملحوظ. تم التخلي عن المحاولة الأولى لاستكشاف الوشاح، والمعروفة باسم مشروع موهول، عام 1966 بعد الإخفاقات المتكررة والتكاليف الزائدة. كان الاختراق الأعمق حوالي 180 مترًا. عام 2005 وصل بئر محيطي إلى عمق 1416 مترًا تحت قاع البحر من سفينة حفر المحيطات "جويدس رزوليوشن".

كان الأكثر نجاحًا هو مشروع حفر أعماق البحار (DSDP) الذي تم تشغيلها من عام 1968 حتى 1983. وبتنسيق من معهد سكريپس لعلوم المحيطات في جامعة كاليفورنيا، سان دييگو، قدم المشروع بيانات مهمة لدعم فرضية تمدد قاع البحر وساعد في إثبات نظرية الصفائح التكتونية. أجرى "گلومار تشالنجر" عمليات الحفر. كان مشروع حفر أعماق البحار هو الأول من بين ثلاثة برامج علمية دولية لحفر المحيطات تعمل على مدار أكثر من 40 عامًا. التخطيط العلمي كان تحت رعاية المؤسسات الأوقيانوغرافية المشتركة لأخذ عينات من الأرض العميقة (جيودس، JOIDES)، التي تتألف مجموعتها الاستشارية من 250 عالماً متميزًا من المؤسسات الأكاديمية والوكالات الحكومية والصناعات الخاصة من جميع أنحاء العالم. واصل برنامج حفر المحيطات (ODP) الاستكشاف من عام 1985 حتى 2003 عندما استبدل ببرنامج الحفر المتكامل للمحيطات (IODP).[28]

في 5 مارس 2007، شرع فريق من العلماء على متن السفينة "جيمس كوك" في رحلة إلى منطقة في قاع المحيط الأطلسي حيث يقع الوشاح مكشوفًا بدون أي غطاء قشرة، في منتصف الطريق بين جزر الرأس الأخضر والبحر الكاريبي. يقع الموقع المكشوف على عمق ثلاثة كيلومترات تقريبًا تحت سطح المحيط ويغطي آلاف الكيلومترات المربعة.[29][30] كان من المقرر إجراء محاولة صعبة نسبيًا لاستعادة عينات من وشاح الأرض في وقت لاحق من عام 2007.[31]

حاولت المهمة تشي‌كيو هاكن استخدام السفينة اليابانية "تشي‌كيو" للحفر حتى 7000 متر تحت قاع البحر. هذا ما يقرب من ثلاثة أضعاف العمق السابق عمليات الحفر المحيطية.

عام 2005 اقترحت طريقة جديدة لاستكشاف بضع مئات من الكيلومترات أعمق من الأرض، وتتألف من مسبار صغير كثيف ومولِّد للحرارة يذوب طريقه لأسفل عبر القشرة والوشاح بينما يتم تتبع موقعه وتقدمه عن طريق الإشارات الصوتية المتولدة في الصخور.[32] يتكون المسبار من كرة خارجية من التنجستن يبلغ قطرها حوالي متر واحد وكوبالت-60 الذي يعمل كمصدر حراري مشع. قُدر أن مثل هذا المسبار سيصل إلى "موهو" المحيطي في أقل من 6 أشهر ويصل إلى أعماق دنيا تزيد عن 100 كيلومتر في غضون بضعة عقود تحت كل من الغلاف الصخري المحيطي والقاري.[33]

يمكن أيضًا مساعدة الاستكشاف من خلال المحاكاة الحاسوبية لتطور الوشاح. عام 2009، قدم تطبيق حاسوب عملاق نظرة ثاقبة جديدة حول توزيع الرواسب المعدنية، خاصة نظائر الحديد، منذ تطور الوشاح قبل 4.5 بليون سنة.[34]


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ أ ب Lodders, Katharina (1998). The planetary scientist's companion. Fegley, Bruce. New York: Oxford University Press. ISBN 1-4237-5983-4. OCLC 65171709.
  2. ^ "PDS/PPI Home Page". pds-ppi.igpp.ucla.edu. Retrieved 2021-01-29.
  3. ^ "In Depth | Earth". NASA Solar System Exploration. Retrieved 2021-01-29.
  4. ^ "What is the Earth's Mantle Made Of? - Universe Today". Universe Today (in الإنجليزية الأمريكية). 2016-03-26. Retrieved 2018-11-24.
  5. ^ Stephen, Marshak (2015). Earth: Portrait of a Planet (5th ed.). New York: W. W. Norton & Company. ISBN 9780393937503. OCLC 897946590.
  6. ^ Helffrich, George R.; Wood, Bernard J. (August 2001). "The Earth's mantle". Nature. 412 (6846): 501–507. doi:10.1038/35087500. PMID 11484043. S2CID 4304379.
  7. ^ The location of the base of the crust varies from approximately 10 to 70 km (6.2 to 43.5 mi). Oceanic crust is generally less than 10 km (6.2 mi) thick. "Standard" continental crust is around 35 km (22 mi) thick, and the large crustal root under the Tibetan Plateau is approximately 70 km (43 mi) thick.
  8. ^ أ ب Alden, Andrew (2007). "Today's Mantle: a guided tour". About.com. Retrieved 2007-12-25.
  9. ^ "Istria on the Internet – Prominent Istrians – Andrija Mohorovicic". 2007. Retrieved 2007-12-25.
  10. ^ McDonough, William F.; Rudnick, Roberta L. (1998-12-31). Hemley, Russell J (ed.). "Chapter 4. Mineralogy and composition of the upper mantle". Ultrahigh Pressure Mineralogy: 139–164. doi:10.1515/9781501509179-006. ISBN 9781501509179.
  11. ^ van Mierlo, W. L.; Langenhorst, F.; Frost, D. J.; Rubie, D. C. (May 2013). "Stagnation of subducting slabs in the transition zone due to slow diffusion in majoritic garnet". Nature Geoscience. 6 (5): 400–403. Bibcode:2013NatGe...6..400V. doi:10.1038/ngeo1772.
  12. ^ Bercovici, David; Karato, Shun-ichiro (September 2003). "Whole-mantle convection and the transition-zone water filter". Nature (in الإنجليزية). 425 (6953): 39–44. Bibcode:2003Natur.425...39B. doi:10.1038/nature01918. ISSN 0028-0836. PMID 12955133. S2CID 4428456.
  13. ^ Anderson, Don L.; Bass, Jay D. (March 1986). "Transition region of the Earth's upper mantle". Nature. 320 (6060): 321–328. Bibcode:1986Natur.320..321A. doi:10.1038/320321a0. S2CID 4236570.
  14. ^ Tsuchiya, Taku; Tsuchiya, Jun; Umemoto, Koichiro; Wentzcovitch, Renata M. (August 2004). "Phase transition in MgSiO3 perovskite in the earth's lower mantle". Earth and Planetary Science Letters. 224 (3–4): 241–248. Bibcode:2004E&PSL.224..241T. doi:10.1016/j.epsl.2004.05.017.
  15. ^ Workman, Rhea K.; Hart, Stanley R. (February 2005). "Major and trace element composition of the depleted MORB mantle (DMM)". Earth and Planetary Science Letters. 231 (1–2): 53–72. Bibcode:2005E&PSL.231...53W. doi:10.1016/j.epsl.2004.12.005. ISSN 0012-821X.
  16. ^ Anderson, D.L. (2007). New Theory of the Earth. Cambridge University Press. p. 301. ISBN 9780521849593.
  17. ^ Murakami, Motohiko; Ohishi, Yasuo; Hirao, Naohisa; Hirose, Kei (May 2012). "A perovskitic lower mantle inferred from high-pressure, high-temperature sound velocity data". Nature (in الإنجليزية). 485 (7396): 90–94. Bibcode:2012Natur.485...90M. doi:10.1038/nature11004. ISSN 0028-0836. PMID 22552097. S2CID 4387193.
  18. ^ Netburn, Deborah. "What scientists found trapped in a diamond: a type of ice not known on Earth". Los Angeles Times. Archived from the original on 12 March 2018. Retrieved 12 March 2018.
  19. ^ أ ب Katharina., Lodders (1998). The planetary scientist's companion. Fegley, Bruce. New York: Oxford University Press. ISBN 978-1423759836. OCLC 65171709.
  20. ^ Turcotte, DL; Schubert, G (2002). "4". Geodynamics (2nd ed.). Cambridge, England, UK: Cambridge University Press. pp. 136–7. ISBN 978-0-521-66624-4.
  21. ^ Louie, J. (1996). "Earth's Interior". University of Nevada, Reno. Archived from the original on 2011-07-20. Retrieved 2007-12-24.
  22. ^ Foulger, G.R. (2010). Plates vs. Plumes: A Geological Controversy. Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4051-6148-0.
  23. ^ أ ب Walzer, Uwe; Hendel, Roland and Baumgardner, John. Mantle Viscosity and the Thickness of the Convective Downwellings. igw.uni-jena.de
  24. ^ Alden, Andrew. "The End of D-Double-Prime Time?". About.com. Retrieved 2007-12-25.
  25. ^ Stern, Robert J. (2002), "Subduction zones", Reviews of Geophysics 40 (4): 1012, doi:10.1029/2001RG000108, Bibcode2002RvGeo..40.1012S 
  26. ^ Burns, Roger George (1993). Mineralogical Applications of Crystal Field Theory. Cambridge University Press. p. 354. ISBN 978-0-521-43077-7. Retrieved 2007-12-26.
  27. ^ Kearey, P.; Klepeis, K.A.; Vine, F.J. (2009). Global tectonics (3rd ed.). Oxford: Wiley-Blackwell. pp. 184–188. ISBN 9781405107778.
  28. ^ "About DSDP". Deep Sea Drilling Project.
  29. ^ Than, Ker (2007-03-01). "Scientists to study gash on Atlantic seafloor". NBC News. Retrieved 2008-03-16. A team of scientists will embark on a voyage next week to study an "open wound" on the Atlantic seafloor where the Earth's deep interior lies exposed without any crust covering.
  30. ^ "Earth's Crust Missing In Mid-Atlantic". Science Daily. 2007-03-02. Retrieved 2008-03-16. Cardiff University scientists will shortly set sail (March 5) to investigate a startling discovery in the depths of the Atlantic.
  31. ^ "Japan hopes to predict 'Big One' with journey to center of Earth". PhysOrg.com. 2005-12-15. Archived from the original on 2005-12-19. Retrieved 2008-03-16. An ambitious Japanese-led project to dig deeper into the Earth's surface than ever before will be a breakthrough in detecting earthquakes including Tokyo's dreaded "Big One," officials said Thursday.
  32. ^ Ojovan M.I., Gibb F.G.F., Poluektov P.P., Emets E.P. 2005. Probing of the interior layers of the Earth with self-sinking capsules. Atomic Energy, 99, 556–562
  33. ^ Ojovan M.I., Gibb F.G.F. "Exploring the Earth's Crust and Mantle Using Self-Descending, Radiation-Heated, Probes and Acoustic Emission Monitoring". Chapter 7. In: Nuclear Waste Research: Siting, Technology and Treatment, ISBN 978-1-60456-184-5, Editor: Arnold P. Lattefer, Nova Science Publishers, Inc. 2008
  34. ^ University of California – Davis (2009-06-15). Super-computer Provides First Glimpse Of Earth's Early Magma Interior. ScienceDaily. Retrieved on 2009-06-16.

وصلات خارجية

هناك كتاب ، Historical Geology، في معرفة الكتب.