تم العثور على تفسير محتمل للشذوذات في انتشار الموجات الزلزالية عبر النواة الداخلية للأرض في تجربة معملية.

تم إجراء التجارب في السنكروترون PETRA III في DESY في هامبورغ. يمكن العثور على التفاصيل، والأهم من ذلك، الاستنتاجات على صفحات Nature Communications. وتظهر النتائج، المستقرة على ظروف اللب الداخلي للأرض، أن الشذوذات الزلزالية المرصودة يمكن تفسيرها من خلال هيكلها الطبقي “على شكل البصلة”، والذي يتكون بسبب شوائب الكربون والسيليكون في الحديد.

التكوين الأساسي والشذوذ

يتكون قلب الأرض بشكل رئيسي من الحديد. بالإضافة إلى ذلك، فهو يحتوي على كميات صغيرة من العناصر الأخف التي تشكل سبائك مع الحديد، مثل السيليكون والكربون والأكسجين. اللب الخارجي سائل، في حين أن اللب الداخلي صلب ويعتقد أنه يتكون من هذه السبائك.

ويلاحظ علماء الزلازل في اللب الداخلي أن الموجات الزلزالية الطولية، التي تنشأ، على سبيل المثال، أثناء الزلازل، تنتشر بسرعة أكبر بنسبة 3-4٪ على طول محور دوران الأرض مقارنة بالمستوى الاستوائي. هذه الحالات الشاذة (تباين الخواص) لها أحجام مختلفة في الأجزاء الخارجية والداخلية من القلب.

تقول البروفيسور كارمن سانشيز فالي من معهد علم المعادن: “كانت هناك عدة فرضيات حول أصل هذا التباين”. جامعة مونستر.

أحد التفسيرات المحتملة هو تكوين الاتجاه البلوري المفضل (PCO)، حيث تغير بلورات السبائك اتجاهها بسبب تدفقات الحمل الحراري أو أنماط النمو.

النهج التجريبي

“لسوء الحظ، هناك القليل جدًا من البيانات التجريبية حول الشكل الذي قد يبدو عليه مثل هذا الـ PCO في قلب الحديد للأرض، ولا توجد بيانات عن PCO في سبائك الحديد مع السيليكون والكربون. لذلك، قررنا دراسة التأثير المشترك للسيليكون والكربون على سلوك تشوه الحديد،” يتابع سانشيز فالي.

قام العلماء بتصنيع سبائك من الحديد والسيليكون والكربون. وفي المحطة التجريبية للظروف القاسية P02.2 في PETRA III، تم تسخين العينات إلى درجات حرارة تزيد عن 820 درجة مئوية وضغطها باستخدام سندانات من الماس إلى مليون ضغط جوي.

باستخدام تحليل الأشعة السينية على PETRA III، لاحظ العلماء كيفية تطور PCO في سبيكة الحديد متعدد البلورات تحت الضغط.

يقول المؤلف الأول إفيم كوليسنيكوف، وهو طالب دكتوراه سابق في جامعة مونستر وقت إجراء التجربة: “لقد تمكنا من فك تشفير نمط الاتجاه المفضل باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية المتعامد مع محور الضغط”.

تم تحليل نمط الحيود الملحوظ لتحديد الخواص البلاستيكية للسبائك – على وجه الخصوص، قوة الخضوع واللزوجة. يقول كوليسنيكوف: “تم استخدام هذه البيانات في نموذج نظري لاستقراء ظروف النواة الداخلية”.

بناءً على الخواص البلاستيكية، قمنا بحساب الفرق في سرعات الموجات الطولية في سبيكة من الحديد مع السيليكون والكربون تحت الظروف الأساسية وقارنناها ببيانات الحديد النقي. لقد توصلنا إلى استنتاج مفاده أن تباين الخواص يمكن تفسيره بالتدرج في تكوين اللب: حيث تزداد نسبة الحديد مع العمق.

“وهذا يتوافق مع درجات متفاوتة من تباين السرعة التي لوحظت في الملامح الزلزالية” ، واختتم قائد الفريق إيليا كوبينكو.