ก้อนยักษ์ในเสื้อคลุมของโลกอาจขับ ‘โรงงานเพชร’ ใกล้แกนโลกของเรา

ปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรงสามารถอธิบายได้ว่าทำไมชั้นกลางของโลกจึงมีคาร์บอนมาก

เขตแดนระหว่างแกนโลหะหลอมเหลวของโลกกับเสื้อคลุมซึ่งเป็นชั้นกลางที่เป็นหิน อาจเป็นโรงงานเพชร 

การทดลองในห้องปฏิบัติการใหม่พบว่า ภายใต้อุณหภูมิและแรงกดดันที่สูงมาก ส่วนผสมของเหล็กคาร์บอนและน้ำ ซึ่งเป็นส่วนผสมทั้งหมดที่อาจพบได้ที่ขอบเขตของคอร์-แมนเทิล สามารถก่อตัวเป็นเพชรได้ หากกระบวนการนี้เกิดขึ้นลึกลงไปในโลกด้วย มันอาจจะอธิบายลักษณะแปลก ๆ บางอย่างของเสื้อคลุมได้ รวมถึงสาเหตุที่มันมีคาร์บอนอยู่ในนั้นมากกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้ 

การค้นพบนี้อาจช่วยอธิบายโครงสร้างแปลก ๆ ที่ลึกลงไปในขอบเขตของเยื่อหุ้มแกนกลางซึ่งคลื่นจากแผ่นดินไหวจะชะลอตัวลงอย่างมาก ภูมิภาคเหล่านี้ เรียกว่า “เขตความเร็วต่ำมาก” มีความเกี่ยวข้องกับโครงสร้างเสื้อคลุมที่แปลกประหลาด รวมทั้ง ก้อนยักษ์สองก้อนในแอฟริกา และมหาสมุทรแปซิฟิก พวกเขาสามารถอยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่ไมล์หรือหลายร้อย ไม่มีใครรู้ว่าพวกเขาคืออะไร นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่ามีอายุย้อนไปถึง 4.5 พันล้านปีและทำจากวัสดุจากโลกที่เก่าแก่มาก แต่ผลการวิจัยใหม่ชี้ให้เห็นว่าบางส่วนของโซนเหล่านี้อาจเป็นหนี้การมีอยู่ของเปลือกโลกซึ่งอาจเริ่มต้นได้ดีหลังจากการก่อตัวของโลกเมื่อประมาณ 3 พันล้านปีก่อน

“เรากำลังเพิ่มแนวคิดใหม่ว่าโครงสร้างเหล่านี้ไม่ใช่โครงสร้างเก่าทั้งหมด” Sang-Heon Shim หัวหน้าทีมวิจัย นักธรณีวิทยาจากมหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนากล่าวกับ WordsSideKick.com

จำลองโลกลึก 

เมื่อแกนกลางมาบรรจบกับเสื้อคลุม เหล็กเหลวจะถูกับหินแข็ง นั่นเป็นการเปลี่ยนแปลงที่น่าทึ่งพอ ๆ กับส่วนติดต่อระหว่างหินกับอากาศที่พื้นผิวโลก Shim กล่าวกับ WordsSideKick.com ในช่วงเปลี่ยนผ่านดังกล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความดันและอุณหภูมิสูงอาจเกิด  สารเคมี แปลกๆ ขึ้นได้

ยิ่งไปกว่านั้น การศึกษาที่ใช้การสะท้อนของคลื่นแผ่นดินไหวเพื่อสร้างภาพเสื้อคลุมได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุจากเปลือกโลกอาจทะลุทะลวงไปยังขอบเขตของเยื่อหุ้มแกนกลางซึ่งอยู่ต่ำกว่าพื้นผิวโลกประมาณ 1,900 ไมล์ (3,000 กิโลเมตร) ที่เขตมุดตัวแผ่นเปลือกโลกจะดันอยู่ใต้อีกแผ่นหนึ่ง ขับเปลือกโลกในมหาสมุทรลงสู่ใต้ผิวดิน หินในเปลือกโลกมหาสมุทรนี้มีน้ำขังอยู่ในแร่ธาตุ ผลที่ได้ ชิมกล่าวว่า เป็นไปได้ที่น้ำจะมีอยู่ในขอบเขตของเยื่อหุ้มแกนกลางและสามารถขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีลงไปได้ (ทฤษฎีหนึ่งเกี่ยวกับก้อนเสื้อคลุมคู่หนึ่งภายใต้แอฟริกาและแปซิฟิกคือพวกมันประกอบด้วยเปลือกโลกที่บิดเบี้ยวซึ่งถูกผลักลึกเข้าไปในเสื้อคลุม ซึ่งอาจอุ้มน้ำไปด้วย)

เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ นักวิจัยได้ดึงส่วนผสมที่มีอยู่ในขอบเขตของ core-mantle และกดเข้าด้วยกันด้วยทั่งที่ทำจากเพชร ทำให้เกิดแรงกดดันสูงถึง 140 กิกะปาสกาล (ซึ่งมากกว่าความดันน้ำทะเลประมาณ 1.4 ล้านเท่า) นักวิจัยยังได้ให้ความร้อนกับตัวอย่างเป็น 6,830 องศาฟาเรนไฮต์ (3,776 องศาเซลเซียส) 

“เราตรวจสอบปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อเราให้ความร้อนกับตัวอย่าง” ชิมกล่าว “จากนั้นเราตรวจพบเพชร และตรวจพบการแลกเปลี่ยนองค์ประกอบที่ไม่คาดคิดระหว่างหินกับโลหะเหลว” 

ปั่นเพชร 

ภายใต้ความกดดันและอุณหภูมิของขอบเขตของเยื่อหุ้มแกนกลาง ชิมกล่าวว่า น้ำมีพฤติกรรมแตกต่างไปมากจากพื้นผิวโลก โมเลกุลไฮโดรเจนแยกออกจากโมเลกุลออกซิเจน เนื่องจากความดันสูง ไฮโดรเจนจึงพุ่งเข้าหาเหล็ก ซึ่งเป็นโลหะที่ประกอบขึ้นเป็นแกนกลางส่วนใหญ่ ดังนั้นออกซิเจนจากน้ำจะคงอยู่ในเสื้อคลุม ในขณะที่ไฮโดรเจนจะหลอมรวมกับแกนกลาง 

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ดูเหมือนว่าไฮโดรเจนจะผลักองค์ประกอบแสงอื่นๆ ในแกนกลางออกไป ซึ่งรวมถึงคาร์บอนที่สำคัญยิ่ง คาร์บอนนี้ถูกบูทออกจากแกนกลางและเข้าไปในเสื้อคลุม ที่ความดันสูงในขอบเขตของแกน-แมนเทิล รูปแบบที่เสถียรที่สุดของคาร์บอนคือเพชร 

“นั่นคือรูปแบบเพชร” ชิมกล่าว 

เหล่านี้ไม่ใช่เพชรชนิดเดียวกันที่อาจเปล่งประกายในแหวนหมั้น เพชรส่วนใหญ่ที่โผล่ขึ้นมาบนผิวน้ำ และท้ายที่สุดกลายเป็นเครื่องประดับของใครบางคน ก่อตัวขึ้นลึกไม่กี่ร้อยกิโลเมตร ไม่ใช่ไม่กี่พัน แต่เพชรที่ห่อหุ้มแกนกลางนั้นน่าจะลอยตัวและสามารถถูกพัดพาไปทั่วทั้งเปลือกโลก โดยจะกระจายคาร์บอนของพวกมันออกไป 

เสื้อคลุมมีคาร์บอนมากกว่าที่นักวิจัยคาดไว้สามถึงห้าเท่าโดยพิจารณาจากสัดส่วนของธาตุในดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ดวงอื่น เพชรที่พบในชั้นดินนี้อาจอธิบายความคลาดเคลื่อนได้ ชิมกล่าว เขาและทีมคำนวณว่าหากแม้แต่ 10% ถึง 20% ของน้ำในเปลือกโลกในมหาสมุทรทำให้มันไปถึงขอบเขตของเยื่อหุ้มแกนกลาง มันอาจผลิตเพชรออกมาได้มากพอที่จะอธิบายระดับของคาร์บอนในเปลือกโลก 

หากเป็นกรณีนี้ พื้นที่ความเร็วต่ำหลายแห่งในเสื้อคลุมอาจเป็นพื้นที่ที่มีการละลายด้วยน้ำ ซึ่งกระตุ้นจากการปั่นของแผ่นมหาสมุทรที่อยู่ลึกเข้าไปในโลก 

การพิสูจน์ว่ากระบวนการนี้เกิดขึ้นใต้พื้นผิวหลายพันกิโลเมตรเป็นความท้าทายต่อไป มีสองวิธีในการหาหลักฐาน ชิมกล่าว 

หนึ่งคือการค้นหาโครงสร้างภายในขอบเขตแกนกลางที่อาจเป็นกระจุกของเพชร เพชรมีความหนาแน่นสูงและจะส่งคลื่นแผ่นดินไหวได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นนักวิจัยจึงจำเป็นต้องค้นหาเขตที่มีความเร็วสูงควบคู่ไปกับบริเวณที่คลื่นเคลื่อนที่ไปอย่างช้าๆ ที่ค้นพบแล้ว นักวิจัยคนอื่น ๆ ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนากำลังตรวจสอบความเป็นไปได้นี้ Shim กล่าว แต่งานยังไม่ได้เผยแพร่

อีกทางเลือกหนึ่งคือการศึกษาเพชรที่อาจมาจากส่วนลึกมากในเสื้อคลุมของโลก เพชรเหล่านี้บางครั้งสามารถทำให้ขึ้นสู่ผิวน้ำด้วยกระเป๋าเล็กๆ หรือสิ่งเจือปน ซึ่งเต็มไปด้วยแร่ธาตุที่สามารถก่อตัวได้ภายใต้แรงกดดันที่สูงมากเท่านั้น 

แม้แต่เพชรโฮปอันเลื่องชื่อก็อาจก่อตัวขึ้นลึกมากในชั้นเปลือกโลก เมื่อนักวิทยาศาสตร์อ้างว่าได้ค้นพบเพชรที่ลึกมาก การยืนยันเหล่านี้มักเป็นที่ถกเถียงกัน ชิมกล่าว ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการเจือปนนั้นเล็กมากจนแทบไม่มีวัสดุใดที่จะวัดได้ แต่มันอาจจะคุ้มค่าที่จะมองหาการรวมขอบเขตของคอร์และแมนเทิล 

“นั่นน่าจะเป็นการค้นพบบางอย่าง ถ้ามีคนสามารถหาหลักฐานได้” เขากล่าว

นักวิจัยรายงานการค้นพบของพวกเขาในวัน ที่11 สิงหาคมในวารสารGeophysical Research Letters

เผยแพร่ครั้งแรกบน Live Science

หน้าแรก