مرز میان هسته فلزی و گوشته سنگی زمین در عمق نزدیک به 2900 کیلومتری، یکی از پویاترین و پیچیده‌ترین مناطق سیاره است. پدیده نشت هسته زمین نشان می‌دهد که این مرز عمیق برخلاف فرضیه‌های قدیمی، کاملا مسدود نیست و مواد باستانی به آرامی وارد لایه‌های بالاتر می‌شوند. نتایج پژوهش ژئوشیمیایی دانشمندان دانشگاه علم و فناوری چین در شهر هفئی که در نشریه ساینس ادونسز انتشار یافته، تصویر جدیدی از نحوه حرکت عناصر سبک مانند هیدروژن و هلیوم ارائه می‌دهد. این یافته‌ها ثابت می‌کنند که هسته زمین از زمان شکل‌گیری اولیه سیاره تا به امروز، ترکیبات شیمیایی گوناگونی را به سمت گوشته هدایت کرده است.
بررسی‌های گذشته اغلب بر این فرض استوار بودند که پس از جدایش اولیه فلزات سنگین از سنگ‌های سیلیکاتی، لایه‌های درونی زمین ایزوله شده‌اند. با این حال، شبیه‌سازی‌های محاسباتی جدید نشان می‌دهند که سبک‌ترین اتم‌های موجود در هسته یعنی هیدروژن اولیه‌ای که از سحابی خورشیدی به دام افتاده بود، می‌توانند از مرز هسته و گوشته عبور کنند. این انتقال مداوم نه‌تنها ترکیب شیمیایی گوشته عمیق را تغییر می‌دهد، بلکه درک زمین‌شناسان را از چرخه عناصر فرار در مقیاس‌های زمانی میلیاردی دگرگون می‌سازد.
تحلیل پدیده‌های زمین‌شناختی در این عمق نیازمند ابزارهای محاسباتی بسیار پیشرفته است. دانشمندان برای درک چگونگی رفتار ایزوتوپ‌های هیدروژن در دما و فشار فوق‌العاده بالا، از مدل‌سازی‌های کوانتومی ترکیب‌شده با هوش مصنوعی استفاده کرده‌اند. این محاسبات دقیق مشخص می‌سازد که اتم‌های هیدروژن چگونه در فازهای مختلف مذاب و جامد جابه‌جا می‌شوند و چرا فرآیند تبلور ماگما نتوانسته ناهمگونی‌های ایزوتوپی امروزی را به تنهایی ایجاد کند.
علت و ابعاد پدیده نشت هسته زمین به گوشته
حدود 4.5 میلیارد سال پیش، زمین در پی برخوردهای سهمگین کیهانی به صورت گویی کاملا مذاب درآمد. با آغاز فرآیند سرد شدن، اقیانوسی از ماگما سراسر سیاره را فرا گرفت. در این دوره، عناصر سنگین‌تر مانند آهن و نیکل به سمت مرکز فرورفتند و هسته چگال را ساختند، در حالی که سیلیکات‌های سبک‌تر گوشته و پوسته اولیه را شکل دادند. دانش زمین‌شناسی کلاسیک تصور می‌کرد که این تفکیک اولیه، مرزی دست‌نخورده میان هسته و گوشته باقی گذاشته است.
پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری چین برای ارزیابی صحت این فرضیه، رفتار ایزوتوپ‌های هیدروژن را در طول تبلور اقیانوس ماگما بازسازی کردند. نتایج مدل‌سازی نشان داد که تفکیک ایزوتوپی میان بلور و مذاب در گستره وسیعی از فشارها و دماها بسیار ضعیف عمل میکند. این بدان معناست که تبلور اقیانوس ماگما در ابتدای تاریخ زمین، گوشته‌ای کاملا همگن از نظر ترکیب ایزوتوپی هیدروژن به وجود آورده است.
بنابراین، ناهنجاری‌های ایزوتوپی که امروز در برخی مناطق گوشته عمیق دیده می‌شوند، نمی‌توانند حاصل باقی‌ماندن بخش‌های دست‌نخورده از زمان تشکیل اولیه سیاره باشند. هرگونه ناهمگونی در نسبت ایزوتوپ‌های هیدروژن، هلیوم و تنگستن که امروزه ثبت میشود، حاصل ورود مداوم مواد از یک مخزن خارجی است. این مخزن خارجی چیزی جز هسته فلزی زمین نیست که نشت پیوسته آن در طول میلیاردها سال، امضای شیمیایی لایه‌های مجاور را تغییر داده است. برای درک بهتر تاثیر این تحولات بر مقیاس‌های زمانی طولانی، مطالعه چرخه‌های زمین‌شناسی اعماق زمین می‌تواند چارچوب مناسبی برای تحلیل رویدادهای تناوبی سیاره فراهم کند.
تحلیل ایزوتوپی بازالت‌های اقیانوسی و شبیه‌سازی‌های کوانتومی
بررسی رفتار هیدروژن در فشار صدها گیگاپاسکال و دمای چند هزار درجه سانتی‌گراد، با روش‌های متداول فیزیک کلاسیک امکان‌پذیر نیست. هیدروژن به عنوان سبک‌ترین عنصر جدول تناوبی، رفتارهای کوانتومی شدیدی نظیر نوسانات نقطه صفر و اثر تونل‌زنی از خود نشان می‌دهد. تیم تحقیقاتی برای شبیه‌سازی دقیق این رفتار، از روش انتگرال مسیر کوانتومی بهره برد که با الگوریتم‌های یادگیری ماشین شتاب یافته بود.
این ابزار محاسباتی پیشرفته به دانشمندان امکان داد تا نسبت دوتریوم به هیدروژن را در شرایط اعماق سیاره محاسبه کنند. دوتریوم ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن است که یک نوترون اضافه دارد. شبیه‌سازی‌ها اثبات کرد که هسته زمین غنی از هیدروژن سبک اولیه است که در زمان پیدایش منظومه خورشیدی به دام افتاده بود. خروج این هیدروژن سبک و ورود آن به لایه گوشته، نسبت دوتریوم به هیدروژن را در مناطق صعودی کاهش می‌دهد.
شواهد تجربی این مدل‌سازی در نمونه‌های سنگ‌های آتشفشانی معروف به بازالت‌های جزایر اقیانوسی مشاهده شده است. این سنگ‌ها از انجماد گدازه‌هایی تشکیل می‌شوند که توسط ستون‌های داغ گوشته از عمیق‌ترین نقاط مرز هسته به سطح زمین منتقل شده‌اند. نمونه‌های برداشت‌شده از جزیره بافین در منطقه نوناووت کانادا و همچنین آتشفشان‌های ایسلند، نسبت دوتریوم به هیدروژن بسیار پایینی را نشان می‌دهند که کاملا با خروج هیدروژن از هسته مطابقت دارد.
علاوه بر هیدروژن، دو شاخص ایزوتوپی دیگر نیز این فرآیند را تایید می‌کنند. نخست، نسبت هلیوم-3 به هلیوم-4 در گدازه‌های آتشفشانی است. هلیوم-3 ماده‌ای باستانی باقی‌مانده از دوران سحابی خورشیدی است، در حالی که هلیوم-4 عمدتا از واپاشی هسته‌ای عناصر رادیواکتیو درون پوسته و گوشته تولید میشود. وجود مقادیر بالای هلیوم-3 در بازالت‌های اقیانوسی نشان می‌دهد که مواد مذاب از مخزنی بسیار عمیق و دست‌نخورده تغذیه می‌شوند.
شاخص سوم به ایزوتوپ‌های عنصر تنگستن مربوط میشود. هنگام تفکیک اولیه زمین، تنگستن به دلیل ویژگی آهن‌دوستی شدید، همراه با آهن مذاب به درون هسته فرورفت. مشاهده ناهنجاری‌های ایزوتوپی تنگستن در همان بازالت‌های غنی از هیدروژن سبک، ارتباط مستقیم میان هسته و ستون‌های صعودی گوشته را اثبات میکند. در فناوری‌های مدرن صنعتی نیز تحلیل رفتار عنصر تنگستن به دلیل مقاومت حرارتی فوق‌العاده آن اهمیت بالایی دارد، اما در علوم زمین، این عنصر نقش یک ردیاب دقیق برای شناسایی مواد نشت‌یافته از هسته را ایفا میکند.
تفاوت آب در شبکه بلوری کانی‌ها با ذخایر مایع روآبی
انتشار اخبار مربوط به خروج هیدروژن از هسته ممکن است این تصور نادرست را ایجاد کند که اقیانوس‌ها یا سفره‌های آب زیرزمینی مایع در اعماق زمین وجود دارند. در واقعیت، شرایط دما و فشار در عمق چند هزار کیلومتری اجازه تشکیل آب به شکل مایع آزاد را نمی‌دهد. هیدروژن خروجی از هسته بلافاصله با اکسیژن موجود در سنگ‌های سیلیکاتی واکنش داده و گروه هیدروکسیل را تشکیل می‌دهد.
این گروه‌های هیدروکسیل وارد ساختار کریستالی کانی‌های عمیق نظیر رینگوودیت و بریجمنیت می‌شوند. بنابراین منظور از وجود آب در اعماق زمین، آب ساختاری محبوس در شبکه بلوری سنگ‌ها است. این فرآیند هیدراتاسیون، خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ‌های گوشته را دستخوش تغییر میکند و ویسکوزیته یا چسبندگی آن‌ها را کاهش می‌دهد.
کاهش چسبندگی سنگ‌ها در اعماق گوشته باعث افزایش شکل‌پذیری و تسهیل جریان‌های همرفتی میشود. حرکت همرفتی گوشته، موتور محرک اصلی حرکت صفحه‌های زمین‌ساختی و وقوع زلزله‌ها و آتشفشان‌ها در سطح سیاره است. به این ترتیب، نشت هیدروژن از هسته با نرم کردن سنگ‌های گوشته، پویایی زمین‌ساختی زمین را در طول میلیاردها سال حفظ کرده است.
با وجود این کشف بزرگ، پرسش‌های مهمی درباره حجم دقیق مواد نشت‌یافته و نرخ جریان آن‌ها در ادوار مختلف زمین‌شناسی باقی مانده است. دانشمندان هنوز نمی‌دانند آیا این نشت در تمام سطوح مرز هسته و گوشته به یک اندازه رخ می‌دهد یا مناطق خاصی دارای شدت خروج بیشتری هستند. پاسخ به این ابهام‌ها نیازمند گسترش مدل‌سازی‌های کوانتومی و ترکیب آن‌ها با داده‌های لرزه‌نگاری سفره‌های عمیق ساختاری خواهد بود.
تحلیل جدید نشان می‌دهد که زمین سیاره‌ای پویا است که لایه‌های داخلی آن همواره در حال تبادل ماده و انرژی هستند. این تبادلات شیمیایی عمیق، نه‌تنها تاریخچه شکل‌گیری زمین را روشن‌تر می‌سازند، بلکه سرمشقی برای بررسی ساختار درونی سایر سیارات سنگی منظومه خورشیدی و سیارات فراخورشیدی فراهم می‌کنند.
