الصهارة تسيل أسهل حين تُضغط — لكن ليس هذا سبب تجمّعها

تنزلق الصفائح التكتونية للأرض فوق الأستينوسفير (الغلاف الموري)، وهو طبقة من الوشاح العلوي لينة على نحو غير معتاد. وتقول فكرة قديمة إن كميات صغيرة من الصخر المنصهر — صهارة بازلتية — تساعد على تليينها. ومدى سهولة حركة هذا المصهور في الأعماق يتوقّف على لزوجته. وهنا قسّمت نتيجة غريبة علماء الأرض.

اضغط معظم المواد فتصبح أصلب. ومع ذلك، أفادت تجارب الضغط العالي، ولا سيما تجارب ساكاماكي وزملائه عام 2013، بأن البازلت المنصهر يصبح أقل لزوجة تحت الضغط، حتى حدّ أدنى عند أعماق تتراوح تقريبًا بين 90 و150 كيلومترًا، قبل أن يزداد صلابة من جديد. واستُخدمت الفكرة لتفسير حركة الصهارة وشذوذات زلزالية في الوشاح وكيمياء متعددة الطبقات. وفي عام 2025، ردّ راسل وزملاؤه بأن هذا الحدّ الأدنى أثر تجريبي مصطنع، سببه درجات حرارة غير مضبوطة جيدًا: فبعد التصحيح، بحسب حجتهم، تزداد اللزوجة ببساطة مع الضغط.

لماذا تتعثّر التجارب

عند هذه الضغوط، يصعب الفصل بين درجة الحرارة والضغط. فموازين الحرارة في مكابس الضغط العالي تحمل هوامش عدم يقين من 50 إلى 100 كلفن أو أكثر، والطريقة الكلاسيكية — قياس زمن سقوط كرة صغيرة عبر المصهور — تتأثر بجدران كبسولات لا يتجاوز حجمها بضعة مليمترات. التأثير المنشود دقيق؛ أما الضجيج فليس كذلك.

مليارات الخطوات الذرّية

لجأ هونغكون زنغ وليانغ يوان وزملاؤهما في جامعة الصين لعلوم الأرض في ووهان وجامعة بايرويت وجامعة سيتشوان إلى المحاكاة. فقد نمذجوا بازلتًا مبسّطًا (مزيجًا من معدنَي الديوبسيد والأنورثيت) ذرّةً ذرّة، بقوى محسوبة من ميكانيكا الكم تحاكيها شبكة عصبية، ما يتيح تشغيل المحاكاة لمدة أطول بأكثر من 1,000 مرة من الطرق الكمومية المعتادة.

وكان المفتاح هو الإحصاء. فلكل ضغط ودرجة حرارة، أجروا من 150 إلى 600 محاكاة مستقلة مدة كل منها 5 نانوثوانٍ، بمجموع لا يقل عن 7.5 ميكروثانية لكل مسار، بعد التحقق من أن طريقتهم تعيد إنتاج الكثافات المقيسة لمعادن حقيقية بفارق أقل من 1%. وهذا خفّض عدم اليقين في اللزوجة إلى 1 إلى 3%، مقابل ما يصل إلى 50% في الدراسات السابقة.

حرف U ضحل

عند درجة حرارة ثابتة قدرها 2,073 كلفن، ترسم اللزوجة شكل U لطيفًا: 0.108 باسكال ثانية عند ضغط صفري، وحدّ أدنى قدره 0.088 عند 3 غيغاباسكال، ثم 0.104 عند 6 غيغاباسكال — أي انخفاض بنحو 19%.

أما على طول منحنى الانصهار، كما في التجارب، فتنخفض اللزوجة بعامل يقارب 23 بين 0 و6 غيغاباسكال — لكن ذلك في الأساس أثر ارتفاع درجة الحرارة. فعند ضغط صفري، يؤدي التبريد من 2,073 إلى 1,619 كلفن إلى مضاعفة اللزوجة نحو 18 مرة. وهكذا فإن خطأً تجريبيًا نموذجيًا قدره 100 كلفن يغيّر اللزوجة بأكثر من عشرين ضعف حجم حرف U. فلا عجب أنه كان صعب الرصد.

ويكمن السبب في البنية الذرّية. فالسيليكون يبقى في معظمه محبوسًا في مجموعات صلبة من أربع ذرّات أكسجين. أما الألومنيوم فيعيد ترتيب نفسه بقوة تحت الضغط — إذ ترتفع نسبة مجموعاته ذات الخمس ذرّات أكسجين من نحو 20% إلى 50% من المجموع — وتتوافق هذه المواقع النادرة والسريعة التغيّر للألومنيوم مع الزمن الذي يستغرقه المصهور كي يسترخي. فهي، لا الهيكل السيليكوني، التي تحدّد إيقاع الجريان.

الحرارة، لا الانخفاض

ثم نمذج الفريق كيفية ترشّح المصهور صعودًا عبر الوشاح. فقابليته للحركة تزداد مع العمق، وتبلغ ذروتها قرب 150 كيلومترًا، ثم تنخفض كلما صعد المصهور وبرد، فتميل الصهارة إلى التوقف والتراكم أسفل الصفيحة الصلبة مباشرة — بما يتفق مع الدلائل الزلزالية والكهربائية على طبقة غنية بالمصهور على عمق 45 إلى 70 كيلومترًا.

لكن الباحثين يؤكدون فارقًا دقيقًا يقلّل ملخّصهم نفسه من شأنه: ذروة الحركة هذه تأتي من التنافس بين الضغط ودرجة الحرارة على طول المنحنى الحراري للأرض، لا من الحدّ الأدنى عند 3 غيغاباسكال. ويخلصون إلى أن الحدّ الأدنى للزوجة حقيقي، لكنه «ليس ضروريًا ولا كافيًا» لتفسير تجمّع المصهور؛ فدرجة الحرارة وحدها تؤدي المهمة. والبازلت الذي درسوه مبسّط — بلا حديد ولا صوديوم، والماء هو المادة المتطايرة الوحيدة فيه — وموضع الحدّ الأدنى يتوقّف على التركيب.