در گفتوگو با آناتک بررسی شد
به گزارش خبرگزاری آنا؛ قرنها پیش، «آیزاک نیوتن» با مطالعه سیارات و نیروی گرانش محاسبه کرد که چگالی متوسط زمین تقریبا دو برابر چگالی سنگهای سطحی است؛ بنابراین، بخشهای عمیقتر زمین باید از موادی بسیار چگالتر تشکیل شده باشند. به گفته یوجین سی. رابرتسون، زمینشناس و نویسنده گزارش «درون زمین» در سایت سازمان زمینشناسی ایالات متحده آمریکا (USGS)، این برآورد نیوتن در اصل همچنان معتبر است.
اما دانش امروز درباره درون زمین فقط حاصل محاسبات گرانشی نیست. بر اساس گزارش USGS، دانشمندان مسیر و ویژگیهای امواج زمینلرزه را بررسی میکنند، رفتار سنگها و کانیها را در فشار و دمای بسیار بالا در آزمایشگاه میسنجند و از دادههای مربوط به گرانش، میدان مغناطیسی و جریان گرما از درون زمین نیز کمک میگیرند.
زمین در نگاه نخست ساختاری لایهلایه دارد: پوسته، گوشته و هسته. گوشته و هسته هرکدام به بخشهای مختلف تقسیم میشوند. با وجود آنکه ضخامت گوشته و هسته تقریبا قابل مقایسه است، گوشته حدود ۸۴ درصد حجم زمین را تشکیل میدهد، هسته حدود ۱۵ درصد و پوسته تنها یک درصد باقیمانده را دربرمیگیرد. اما این لایهها را کسی مستقیما ندیده است. آنچه دانشمندان در اختیار دارند، ردپای فیزیکی آنها در رفتار امواج است.
امواج P و S؛ پیامرسانهای اعماق
وقتی زمینلرزهای رخ میدهد، انرژی آن در قالب امواج لرزهای درون و روی سطح زمین حرکت میکند. بخشی از مهمترین اطلاعات درباره اعماق زمین از دو نوع موج پیکری به دست میآید: امواج P و S.
امواج P یا فشاری، سریعترین امواج لرزهای هستند و ذرات محیط را در راستای حرکت موج فشرده و منبسط میکنند؛ این امواج میتوانند از جامدات، مایعات و گازها عبور کنند.
امواج S یا برشی، برخلاف امواج P، عمود بر راستای حرکت موج، ذرات را جابهجا میکنند و به سختی (rigidity) محیط حساساند؛ به همین دلیل در مواد مایع یا مذاب یا کند میشوند یا کاملاً از بین میروند. همین ویژگی است که به دانشمندان کمک میکند اتاقکهای ماگما، گسلها و مناطق نیمهمذاب زیرزمینی را شناسایی کنند.
همین تفاوت، یکی از مهمترین سرنخها برای شناخت هسته زمین بود. بر اساس گزارش USGS، هسته بیرونی زمین مایع در نظر گرفته میشود، زیرا امواج S نمیتوانند از آن عبور کنند و سرعت امواج P نیز هنگام ورود به آن بهطور محسوسی کاهش مییابد. در مقابل، رفتار امواج لرزهای نشان میدهد که هسته درونی جامد است.
مرز میان پوسته و گوشته نیز مستقیما دیده نشده است. این مرز که ناپیوستگی موهو نام دارد، از روی افزایش ناگهانی سرعت امواج لرزهای در عمق تشخیص داده میشود؛ نام آن از آندریا موهوروویچیچ، دانشمند کروات، گرفته شده است.
امواج سطحی نیز اطلاعات دیگری در اختیار دانشمندان میگذارند. برای مثال، امواج ریلی میتوانند برای بررسی ساختار پوسته بالایی، از جمله ضخامت رسوبات، گسلها و ویژگیهای حوضههای رسوبی، به کار روند.
از لرزش تا تصویر؛ چگونه یک مدل لرزهای ساخته میشود؟
اینجاست که روش توموگرافی لرزهای وارد میشود؛ روشی که سایت EarthScope آن را به «سیتیاسکن زمین» تشبیه میکند. در سیتیاسکن پزشکی، پرتوهای ایکس از زوایای مختلف بدن عبور میکنند و رایانه از ترکیب این دادهها تصویری سهبعدی میسازد. در توموگرافی لرزهای نیز دانشمندان مسیر امواج لرزهای را از زمینلرزههای مختلف بررسی میکنند تا تصویری مدلسازیشده از ساختارهای زیرسطحی به دست آورند.
بر اساس توضیح «ارث اسکوپ» (EarthScope)، نخست باید شبکهای از لرزهسنجها طراحی و در نقاط مناسب مستقر شود. اگر هدف، بررسی ساختارهای کمعمق باشد، شبکهای متراکم و محلی میتواند مناسبتر باشد؛ اما برای مطالعه ساختارهای عمیقتر گوشته یا مرزهای هسته، دادههای زمینلرزههایی از نقاط دوردست جهان و شبکهای گستردهتر اهمیت پیدا میکند.
دانشمندان میتوانند از دو نوع منبع استفاده کنند. در روش منبع غیرفعال، زمینلرزههای طبیعی منبع امواج هستند. در روش منبع فعال، پژوهشگران با منابع انرژی کنترلشده، مانند انفجارهای کوچک، تفنگهای هوایی در مطالعات دریایی یا کامیونهای لرزاننده، موج ایجاد میکنند.
پس از ثبت دادهها، رایانه کار اصلی را آغاز میکند
ابتدا پژوهشگران یک مدل اولیه از سرعت حرکت امواج در نقاط مختلف زیرزمین در اختیار الگوریتم قرار میدهند. این سرعت به عواملی مانند نوع سنگ، دما، فشار و وجود سیالات بستگی دارد.
سپس زمان رسیدن موج به ایستگاههای لرزهنگاری در این مدل محاسبه میشود و با زمان واقعی ثبتشده مقایسه میشود. اختلاف میان این دو، که باقیمانده نام دارد، نشان میدهد مدل اولیه در کجا با دادههای واقعی سازگار نیست.
در مرحله بعد، الگوریتم «وارونسازی» — یعنی فرایندی که بر اساس میزان و جهت باقیماندهها، سرعت امواج را در نقاط مختلف مدل کمی بالا یا پایین میبرد — مدل را اصلاح میکند و دوباره زمان حرکت امواج را محاسبه میکند. این چرخه بارها تکرار میشود تا مدلی به دست آید که با مجموعه بزرگی از دادههای واقعی سازگاری بیشتری داشته باشد.
در نهایت، وقتی مسیرهای متعدد امواج از جهات مختلف با یکدیگر ترکیب میشوند، دانشمندان میتوانند مدلی دوبعدی یا سهبعدی از تغییرات سرعت امواج در زیرزمین ایجاد کنند. این مدلها میتوانند ساختارهایی مانند مناطق فرورانش یافته، اتاقکهای ماگما، گسلها و حوضههای رسوبی را آشکار کنند.
با این حال، این تصاویر را نباید عکس مستقیم از درون زمین دانست. آنها مدلهای ژئوفیزیکی مبتنی بر رفتار امواج هستند و مانند هر مدل علمی، با عدمقطعیتهایی همراهاند. کیفیت آنها به تعداد و پراکندگی ایستگاهها، کیفیت دادهها و تنوع مسیرهای امواج بستگی دارد.
تصویری تازه از مرز هسته و گوشته
قدرت این روش را میتوان در پژوهشی که دانشگاه کمبریج در سال ۲۰۲۲ درباره اعماق زیرین جزایر هاوایی منتشر کرد، دید.
پژوهشگران به رهبری ژی لی (Zhi Li)، دانشجوی دکترای دانشگاه کمبریج، یکی از مناطق موسوم به «ناحیه با سرعت بسیار پایین» (ultra-low velocity zone) را در نزدیکی مرز هسته و گوشته، حدود سه هزار کیلومتر زیر سطح زمین، بررسی کردند. در چنین مناطقی، سرعت حرکت امواج لرزهای به شکل غیرعادی کاهش مییابد.
پژوهشگران با استفاده از روشهای عددی پیشرفته توانستند ساختار این ناحیه را با وضوح بسیار بیشتری نسبت به مطالعات پیشین بازسازی کنند و ساختارهایی در مقیاس کیلومتر را در نزدیکی مرز هسته و گوشته آشکار کنند.
ژی لی درباره اهمیت این یافته گفته است: «از میان همه ویژگیهای اعماق زمین، اینها جذابترین و پیچیدهتریناند. اکنون نخستین شواهد محکم برای نشان دادن ساختار درونی آنها را در اختیار داریم؛ این یک نقطه عطف واقعی در لرزهشناسی اعماق زمین است».
پژوهشگران دریافتند سرعت امواج لرزهای در قاعده این ناحیه زیر هاوایی حدود ۴۰ درصد کاهش مییابد. این یافته با این احتمال سازگار است که این منطقه حاوی مواد بسیار غنی از آهن و در نتیجه چگالتر از سنگهای اطراف باشد.
«سانه کوتار»، از پژوهشگران این پروژه، احتمال داده است که این ماده غنی از آهن بقایای سنگهای بسیار قدیمی از مراحل نخست تاریخ زمین باشد یا حتی آهن از راهی ناشناخته از هسته به بیرون منتقل شده باشد. اینها همچنان فرضیههایی درباره منشأ این ساختارها هستند و پژوهشهای بیشتری برای تعیین منشأ آنها لازم است.
این یافته همچنین میتواند به روشنشدن یکی از پرسشهای دیرینهٔ زمینشناسی کمک کند: چه چیزی زیر زنجیرههای آتشفشانی مانند جزایر هاوایی نهفته و آنها را پدید آورده است؟ این جزایر و مواردی مانند ایسلند را «آتشفشانهای نقطهداغ» یا «تفتگاه» (hotspot) مینامند. خاستگاه دقیق این آتشفشانها سالها میان دانشمندان محل بحث بوده، اما پذیرفتهترین نظریه میگوید ستونهایی از مواد داغ گوشته از عمق مرز هسته و گوشته تا سطح زمین بالا میآیند و این آتشفشانها را تغذیه میکنند. پژوهشگران اکنون شواهدی از همبستگی میان محل این نقاط داغ و مناطق با سرعت بسیار پایین در قاعدهٔ گوشته یافتهاند.
ردپای تتیس در اعماق خاورمیانه
اگر مطالعه اعماق زیرین هاوایی نشان میدهد که توموگرافی لرزهای چگونه میتواند ساختارهای بسیار عمیق زمین را آشکار کند، یک پژوهش جدید، همین فناوری را به منطقه ما نزدیک کرده است.
پژوهشگران در مطالعهای با عنوان «MEAD-M۲۰»، مدل تازهای از پوسته و گوشته بالایی خاورمیانه ارائه کردهاند که مناطق آناتولی، ایران و قفقاز را نیز دربرمیگیرد. این پژوهش در سال ۲۰۲۶ بهصورت پیشانتشار (preprint) در پایگاه علمی arXiv منتشر شده است؛ بنابراین نتایج آن را باید با در نظر گرفتن این وضعیت علمی خواند.
پژوهشگران به رهبری ریدوان اورسوران (Rıdvan Örsvuran) و ابرو بزداغ (Ebru Bozdağ)، از روش «وارونسازی شکلموج کامل» استفاده کردند. این مدل پس از ۲۰ مرحله تکرار محاسباتی و با استفاده از دادههای ۲۱۰ زمینلرزه منطقهای ثبتشده در ۱٬۲۱۵ ایستگاه ساخته شده است.
هدف، ساخت مدلی از سرعت امواج P و S در پوسته و گوشته بالایی منطقه بوده است؛ مدلی که میتواند در مطالعات مربوط به مکانیابی دقیق زمینلرزهها، ویژگیهای کانونی آنها و ارزیابی خطر لرزهای کاربرد داشته باشد.
یکی از یافتههای جالب مدل MEAD-M۲۰، شناسایی ساختارهایی است که پژوهشگران آنها را بقایای اقیانوس تتیس در زیر شرق آناتولی تفسیر میکنند. بر اساس چکیده پژوهش، این ساختارها هرچه به سمت جنوب و منطقه مکران نزدیکتر میشوند، در این مدل کمعمقتر نمایان میشوند؛ الگویی که با تاریخچه فرورانش در امتداد کمربند بیتلیس–زاگرس سازگار است.
این مدل همچنین ناهنجاریهای کمسرعت در مقیاس لیتوسفر را در ارتباط با گسلهای آناتولی شمالی و شرقی تا عمق حدود ۲۰۰ کیلومتر نشان میدهد.
به زبان ساده، این مدل به دانشمندان اجازه میدهد آثار فرآیندهای زمینساختی بسیار قدیمی را از روی رفتار امواج لرزهای دنبال کنند؛ فرآیندهایی که در طول میلیونها سال در شکلگیری ساختار کنونی خاورمیانه نقش داشتهاند.
البته باید میان «دیدن تتیس» و ششناسایی ساختارهای لرزهای سازگار با بقایای آن» تفاوت گذاشت. دانشمندان تتیس را مستقیما مشاهده نکردهاند؛ بلکه از الگوهای سرعت و مسیر امواج برای استنباط ساختارهای زیرسطحی استفاده کردهاند.
چشمانداز؛ نقشهای که هنوز کامل نشده است
تصویر دانشمندان از درون زمین، برخلاف یک نقشه ثابت، دائما در حال تغییر و دقیقتر شدن است. هرچه تعداد ایستگاههای لرزهنگاری بیشتر شود، زمینلرزههای بیشتری ثبت شوند و قدرت محاسباتی رایانهها افزایش یابد، امکان بازسازی جزئیات بیشتری از ساختارهای زیرسطحی فراهم میشود.
پژوهشگران دانشگاه کمبریج قصد دارند روش تصویربرداری با وضوح بالاتر خود را برای مناطق دیگری در مرز هسته و گوشته به کار ببرند تا مشخص شود آیا ساختارهای متراکم مشابهی در زیر دیگر نقاط داغ زمین نیز وجود دارند یا نه.
در مورد خاورمیانه نیز مدل MEAD-M۲۰ میتواند پایهای برای مطالعات بعدی درباره ساختار پوسته و گوشته، تاریخچه زمینساختی و خطرهای لرزهای منطقه باشد.
از محاسبات نیوتن درباره چگالی زمین تا شبکههای گسترده لرزهنگاری و مدلسازیهای سهبعدی امروزی، شناخت درون زمین مسیری طولانی را طی کرده است. انسان هنوز حتی به مرز گوشته هم حفاری نکرده، اما زمینلرزهها هر روز اطلاعاتی از اعماق آن به سطح میفرستند.
آنچه دانشمندان امروز در اختیار دارند، نه یک دوربین برای دیدن زیر پای ما، بلکه شبکهای عظیم از لرزهسنجها، قوانین فیزیک و رایانههایی است که لرزشهای زمین را به نقشه تبدیل میکنند؛ نقشهای که حالا میتواند حتی ردپای اقیانوسی باستانی را در اعماق خاورمیانه دنبال کند.
انتهای پیام/
