زمین چگونه از کره‌‌ای آتشین و مذاب به یک سیاره سنگی تبدیل شد

پژوهش‌های جدید بر این فرضیه تأکید دارند که زمین اولیه به‌شدت آتش‌فشانی بوده و شواهد موجود بر گذار شدید آن به زمین‌ساخت صفحه‌ای امروزه کاملا واضح است.

به‌گفته‌ی آدام بیل، پژوهشگر تغییرات زمین در دانشگاه ملبورن:

زمین‌شناسی بر یک ایده‌ استوار است: uniformitarianism یا رویکرد یکنواختی، بر اساس این رویکرد نوسان‌های آب‌وهوایی زمین در بازه‌های زمانی مختلف رخ می‌دهد بعضی از آن‌ها در یک بازه‌ی زمانی ثابت و بعضی دوره‌ی ثابت و مشخصی ندارند. بر همین اساس می‌توانیم به مطالعه‌ی فرآیندهای کنونی بپردازیم و رفتار زمین در بازه‌های زمانی چند میلیون سال را درک کنیم؛ اما این روش در تلاش برای درک زمین آغازین شکست می‌خورد، زیرا زمین در آن دوران داغ‌تر بوده و رفتار کاملا متفاوتی داشته است. زمین‌شناس‌ها در یک وظیفه‌ی دشوار و بر اساس فرآیندهایی که قبلا هرگز مشاهده نشده‌اند، باید به نحوه‌ی شکل‌گیری قدیمی‌ترین قاره‌های زمین بپردازند.

به‌گفته‌ی لوییس مورسی، استاد دانشکده‌ی علوم زمین دانشگاه ملبورن:

در این مورد دو دیدگاه وجود دارد. بر اساس دیدگاه اول چیزی به اسم زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای وجود نداشته است. فقط ابری از غبار وجود داشته که منجر به شکل‌گیری زمین شده و پس از تبلور به شکل جامد و یکپارچه درآمده است و زمین‌ساخت‌ها را شکل داده است؛ اما بر اساس الگوی دیگر، ساختار زمین اولیه مثل زمین‌‌ساخت‌های صفحه‌ای مدرن نبوده است.

خاصیت رادیواکتیویته‌ هم داخل دمای زمین را بالا می‌برد و این حرارت به‌ نقطه‌ی دیگری منتقل می‌شود. زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای یا رانش‌های قاره‌ای راهی برای آزادسازی گرمای زمین است. در فرآیند زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای کل حوزه‌ی اقیانوس می‌چرخد. درنتیجه سرمای سطح خارجی را به داخل سوق می‌دهد و سمت داغ را به سطح می‌آورد و به این صورت انرژی داخل زمین به سمت بیرون آزاد می‌شود.

دانشمندان معتقدند زمین نسبت به امروز داغ‌تر و رادیواکتیوتر بوده است؛ بنابراین پرسش این است اگر هیچ زمین‌ساختی وجود نداشته، گرمای زمین کجا رفته است؟ زمین‌شناس‌ها در یک موقعیت دیگر از منظومه‌ی شمسی به‌دنبال ارائه‌ی یک توضیح متفاوت برای این پدیده هستند.

انتقال داغ

آیو، یکی از ۶۹ قمر مشتری، آتش‌فشانی‌ترین نقطه‌ی منظومه‌ی شمسی است و به‌گفته‌ی مورسی این قمر می‌تواند مدلی برای زمین اولیه باشد:

در قمر آیو، گرمای داخلی از طریق فعالیت آتش‌فشانی به سطح می‌رسد بنابراین فوران‌های زیادی در سطح این قمر رخ می‌دهند. این نظریه که به محبوبیت زیادی رسیده است زمین ناقل گرما نامیده می‌شود.

مورسی و همکاران، یک مدل منبع‌باز کامپیوتری از لیتوسفر ساخته‌اند که به پوسته و گوشته‌ی بالایی زمین تا عمق تقریبی ۲۰۰ کیلومتری می‌پردازد و این مدل ابزار کاملی برای مدل‌سازی مرگ زمین ناقل گرما به شمار می‌رود.

بیل با سرپرستی مورسی و کار با  کتی کوپر یکی از اساتید دانشگاه واشنگتن  از برنامه‌ای به نام UnderWorld برای مدل‌سازی گذار اولیه‌ی زمین به زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای استفاده کرد و بیشتر بر لایه‌ی نازک زمین سنگی به نام سرپوش انتقال داغ استفاده کرد که بیشترین بخش زمین ناقل گرما را پوشش می‌داد. پژوهشگرها با این کار موفق به حل دومین راز زمین‌شناسی شدند: چرا این بخش‌های زمین تحت تأثیر زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای نبوده‌‌اند؟

راز دوم

با این‌که بیشترین بخش پوسته‌ی زمین به دلیل فعل و انفعالات زمین‌ساخت‌ها به‌طور پیوسته دچار خردشدگی، گداخت، برآمدگی و فرسایش شده است،  بعضی مناطق موسوم به کراتون‌ها در طی میلیاردها سال هیچ تغییر نداشته‌اند. نمونه‌هایی از این تغییرات سطحی زمین را می‌توان در استرالیا غربی، حوزه‌ی آمازون، آفریقای جنوبی و بخش‌هایی از کانادا مشاهده کرد. به‌گفته‌ی مورسی:

زمین‌ساخت‌ها یک ساختار بزرگ مثل هیمالیا را به‌وجود آورده‌اند که درنهایت دچار فرسایش می‌شوند؛ اما کراتون‌ها تغییر زیادی نداشته‌اند و می‌توانیم ساختار اصلی چهار میلیارد ساله‌ی آن‌ها را هنوز در بعضی نقاط مشاهده کنیم.

بخش‌هایی از استرالیا هم از کراتون‌های کهن ساخته شده‌اند و منبعی برای ثروت‌های معدنی ازجمله معادن سنگ‌آهن در غرب استرالیا هستند. به‌گفته‌ی مورسی نظریه‌ی انتقال داغ روش شکل‌گیری دقیق این سنگ‌ها را توضیح می‌دهد اما دلیلی برای استحکام آن‌ها نمی‌آورد.

لایه‌های ضخیمی از سنگ‌های آتش‌فشانی نقشه‌برداری شده‌اند و ثابت می‌کنند پوسته‌ی کراتونی در ابتدا از طریق فوران‌های متعدد آتش‌فشانی شکل گرفته است؛ اما مورسی می‌گوید این فرآیند می‌تواند لایه‌های ضخیم سنگی را شکل دهد درحالی‌که ضخامت کراتون‌ها به بیش از ۲۰۰ کیلومتر می‌رسد. بنابراین درزمانی شکل‌ گرفته‌اند که به ضخامت زیادی رسیده‌اند و استحکام زیادی داشته‌اند. به گفته‌ی بیل:

ضخامت بیش‌ ازحد کراتون‌ها در ابتدا بیش از ۵۰ سال قبل موردتوجه قرار گرفت؛ اما کسی قادر به حل راز این ضخامت نبود. در چند سال گذشته، همکاران ما در این پروژه ازجمله استاد کتی کوپر این فرضیه را ارائه دادند که کراتون‌ها منجر به افزایش ضخامت سنگ گوشته‌ی زیرین شده‌اند. برای رسیدن به چنین ضخامتی، به بخش قابل‌توجهی از سنگ گوشته‌ی شناور زیرین نیاز است؛ شاید این فرآیند بر اساس زمین‌ساخت شکل گرفته باشد و شاید هم‌زمان با شکل‌گیری کراتون رخ داده است.

یک راه‌حل ساده

پژوهشگرها این ایده‌ی جدید را با یک مدل کامپیوتری تست کردند. در شبیه‌سازی‌ها، کراتون‌ها در طول از حالت انتقال داغ به زمین‌ساخت‌ها تغییر شکل داده‌اند. به گفته‌ی مورسی:

این راه‌حل بسیار ساده است، زمین در طول گذار به زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای، وارد یک واژگونی کامل می‌شود. زمین مقدار زیادی انرژی را برای میلیاردها سال ذخیره کرده است و سپس کل این انرژی در یک دوره‌ی کوتاه آزاد می‌شود. در این ویدیو مشاهده می‌کنید که سنگ باریک مسطح با یک واژگون‌سازی شدید در چند منطقه مچاله شده است و این فرآیند تکرار نمی‌شود، زیرا زمانی که زمین‌ساخت‌های صفحه آغاز می‌شوند، یک الگوی دیگر شروع می‌شود و این فشار مجددا افزایش پیدا نمی‌کند. پس درنهایت سنگ‌های بسیار قوی ساخته می‌شوند که میلیاردها سال دوام می‌آورند.