दाबल्यावर मॅग्मा अधिक सहज वाहतो — पण तो साचण्याचे कारण ते नाही

पृथ्वीच्या टेक्टॉनिक प्लेट्स ॲस्थेनोस्फियरवर सरकतात — वरच्या मॅंटलचा हा थर असाधारणपणे मऊ आहे. एक जुनी कल्पना अशी आहे की थोड्या प्रमाणातील वितळलेला खडक — बेसॉल्टिक मॅग्मा — त्याला मऊ करण्यास मदत करतो. खोलवर हा वितळलेला खडक किती सहज हलतो, हे त्याच्या श्यानतेवर (viscosity) अवलंबून असते. आणि इथेच एका विचित्र निष्कर्षाने भूवैज्ञानिकांमध्ये फूट पाडली आहे.

बहुतेक पदार्थ दाबले की अधिक कडक होतात. तरीही उच्च-दाब प्रयोगांनी, विशेषतः 2013 मध्ये साकामाकी आणि सहकाऱ्यांच्या प्रयोगांनी, असे नोंदवले की वितळलेला बेसॉल्ट दाबाखाली कमी श्यान होतो — सुमारे 90 ते 150 किलोमीटर खोलीवरील एका किमान बिंदूपर्यंत — आणि मग पुन्हा कडक होतो. मॅग्मा कसा हलतो, मॅंटलमधील भूकंपीय विचित्रता आणि स्तरित रसायनशास्त्र स्पष्ट करण्यासाठी ही कल्पना वापरली गेली. 2025 मध्ये रसेल आणि सहकाऱ्यांनी प्रतिवाद केला की हा किमान बिंदू म्हणजे खराब नियंत्रित तापमानामुळे निर्माण झालेली प्रायोगिक त्रुटी आहे: दुरुस्ती केल्यावर, त्यांच्या मते, श्यानता दाबासोबत फक्त वाढते.

प्रयोगांना अडचण का येते

या दाबांवर तापमान आणि दाब वेगळे करणे कठीण असते. उच्च-दाब यंत्रांतील तापमापकांमध्ये 50 ते 100 केल्व्हिन किंवा त्याहून अधिक अनिश्चितता असते, आणि पारंपरिक पद्धत — वितळलेल्या पदार्थातून पडणाऱ्या एका लहान चेंडूचा वेळ मोजणे — मिलिमीटर आकाराच्या कुपींच्या भिंतींमुळे विस्कळीत होते. शोधला जाणारा परिणाम सूक्ष्म आहे; गोंगाट (noise) मात्र तसा नाही.

अब्जावधी अणु-पायऱ्या

वुहानमधील चायना युनिव्हर्सिटी ऑफ जिओसायन्सेस, बायरॉइट विद्यापीठ आणि सिचुआन विद्यापीठातील होंगकुन झेंग, लियांग युआन आणि सहकारी सिम्युलेशनकडे वळले. त्यांनी एका सरलीकृत बेसॉल्टचे (डायॉप्साइड आणि ॲनॉर्थाइट या खनिजांचे मिश्रण) अणू-अणूने प्रतिरूप तयार केले. बले क्वांटम यांत्रिकीतून मोजली गेली आणि एका न्यूरल नेटवर्कने त्यांचे अनुकरण केले, ज्यामुळे सिम्युलेशन मानक क्वांटम पद्धतींपेक्षा 1,000 पटींहून अधिक काळ चालवता येते.

सांख्यिकी ही गुरुकिल्ली होती. प्रत्येक दाब आणि तापमानासाठी त्यांनी प्रत्येकी 5 नॅनोसेकंदांची 150 ते 600 स्वतंत्र सिम्युलेशन चालवली, म्हणजे प्रत्येक मार्गासाठी किमान 7.5 मायक्रोसेकंद. त्याआधी त्यांनी तपासले की त्यांची पद्धत खऱ्या खनिजांच्या मोजलेल्या घनता 1% च्या आत पुनरुत्पादित करते. यामुळे श्यानतेवरील अनिश्चितता 1 ते 3% पर्यंत खाली आली, तर आधीच्या अभ्यासांत ती 50% पर्यंत होती.

एक उथळ U

स्थिर 2,073 केल्व्हिन तापमानाला श्यानता एक सौम्य U आकार रेखाटते: शून्य दाबाला 0.108 पास्कल-सेकंद, 3 गिगापास्कल ला 0.088 हा किमान बिंदू, आणि मग 6 गिगापास्कलला 0.104 — सुमारे 19% ची घट.

वितळण्याच्या वक्रावर मात्र, प्रयोगांप्रमाणेच, 0 ते 6 गिगापास्कल दरम्यान श्यानता सुमारे 23 पटीने घटते — पण तो मुख्यतः वाढत्या तापमानाचा परिणाम आहे. शून्य दाबाला, 2,073 वरून 1,619 केल्व्हिनपर्यंत थंड केल्यास श्यानता सुमारे 18 पटीने वाढते. म्हणजे 100 केल्व्हिनची एक सामान्य प्रायोगिक त्रुटी श्यानतेत U च्या आकाराच्या वीस पटींहून अधिक बदल घडवते. ते दिसणे कठीण होते यात नवल नाही.

कारण अणु-संरचनेत दडलेले आहे. सिलिकॉन बहुतांशी चार ऑक्सिजनच्या कडक गटांमध्ये बंदिस्त राहते. याउलट ॲल्युमिनियम दाबाखाली मोठ्या प्रमाणात पुनर्रचना करते — त्याचे पाच ऑक्सिजनचे गट एकूणाच्या सुमारे 20% वरून 50% पर्यंत वाढतात — आणि ही दुर्मीळ, वेगाने बदलणारी ॲल्युमिनियम स्थाने वितळलेल्या पदार्थाला शिथिल होण्यासाठी लागणाऱ्या वेळेशी जुळतात. सिलिकॉनची चौकट नव्हे, तर तीच प्रवाहाचा वेग ठरवतात.

उष्णता, घट नव्हे

त्यानंतर संघाने वितळलेला खडक मॅंटलमधून वर कसा झिरपतो याचे प्रतिरूप तयार केले. त्याची गतिशीलता खोलीसोबत वाढते, सुमारे 150 किलोमीटर जवळ शिखर गाठते आणि तो वर चढून थंड होताना घटते. त्यामुळे मॅग्मा कडक प्लेटच्या अगदी खाली थांबून साचण्याची प्रवृत्ती दाखवतो — 45 ते 70 किलोमीटर खोलीवरील वितळलेल्या पदार्थाने समृद्ध थराच्या भूकंपीय आणि विद्युत संकेतांशी हे सुसंगत आहे.

पण लेखक एका बारकाव्यावर भर देतात, जो त्यांच्याच सारांशात (abstract) कमी महत्त्वाचा दाखवला आहे: गतिशीलतेचे हे शिखर पृथ्वीच्या तापमान-प्रोफाइलवरील दाब आणि तापमान यांच्या स्पर्धेतून येते, 3-गिगापास्कल किमान बिंदूतून नव्हे. श्यानतेचा किमान बिंदू खरा आहे, असा त्यांचा निष्कर्ष आहे, पण वितळलेला पदार्थ साचण्याचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी तो “आवश्यकही नाही आणि पुरेसाही नाही”; केवळ तापमानच ते काम करते. त्यांचा बेसॉल्ट सरलीकृत आहे — लोह नाही, सोडियम नाही, पाणी हाच एकमेव बाष्पशील घटक — आणि किमान बिंदूचे स्थान रासायनिक संरचनेवर अवलंबून असते.