మాంటిల్ అడుగున ఉన్న కణాలు ఎంత పెద్దవి?
ఆఫ్రికా, పసిఫిక్ మహాసముద్రంల కింద చాలా లోతుల్లో, మాంటిల్ అడుగున, భారీ తక్కువ విరూపణ-వేగ ప్రాంతాలు (large low shear-velocity provinces, LLSVPs) అని పిలిచే రెండు బ్రహ్మాండమైన ప్రదేశాల్లో భూకంప తరంగాలు నెమ్మదిస్తాయి. అవి కోర్‌తో ఉన్న సరిహద్దు నుంచి 1,000 కి.మీ.కి పైగా ఎత్తుకు లేచి, ఆ సరిహద్దు వైశాల్యంలో దాదాపు నాలుగో వంతును కప్పుతాయి. అవి ఎక్కువ వేడిగా ఉన్నాయా, రసాయనికంగా భిన్నమైనవా, లేదా రెండూనా అన్నది ఇంకా చర్చనీయాంశమే. భూకంప క్షీణత (attenuation) అధ్యయనాలు అవి ముతక కణాలతో ఏర్పడ్డాయని, వాటి చుట్టూ సన్నని కణాల మాంటిల్ ఉందని సూచిస్తున్నాయి.
వాటి సంభావ్య పదార్థాల్లో ఒకటి డేవ్‌మావోయిట్ (davemaoite) — పెరోవ్‌స్కైట్ నిర్మాణంలోని కాల్షియం సిలికేట్, దిగువ మాంటిల్‌లో మూడో అత్యంత సమృద్ధమైన ఖనిజం: మాంటిల్ శిల యొక్క ప్రామాణిక నమూనా అయిన పైరోలైట్‌లో సుమారు 10%, లోపలికి కుంగిపోయిన (subducted) బసాల్ట్‌లో 25% వరకు.
ముప్పై శాతం చిక్కుముడి
డేవ్‌మావోయిట్‌ను అధ్యయనం చేయడం కష్టం. దాన్ని చెక్కుచెదరకుండా ఉపరితలానికి తీసుకురాలేం — చల్లబడినప్పుడు దాని నిర్మాణం మారుతుంది, పీడనం తగ్గగానే గాజులా మారుతుంది — కాబట్టి దాని స్థితిస్థాపకతను అధిక పీడనం, ఉష్ణోగ్రతల వద్దే కొలవాలి. అక్కడే, దశాబ్దాలుగా, సిద్ధాంతానికీ ప్రయోగానికీ పొంతన కుదరడం లేదు: క్వాంటం గణనలు కొలిచిన దాని కంటే సుమారు 30% ఎక్కువ విరూపణ గుణకాన్ని (shear modulus) అంచనా వేస్తాయి. చాలా మాంటిల్ ఖనిజాలకు ఈ రెండూ దగ్గరగా సరిపోతాయి.
వుహాన్‌లోని చైనా యూనివర్సిటీ ఆఫ్ జియోసైన్సెస్, జర్మనీలోని బైరూత్ విశ్వవిద్యాలయం, మిషిగన్ విశ్వవిద్యాలయాలకు చెందిన పెయ్యూ ఝాంగ్, లియాంగ్ యువాన్, వారి సహచరులు నమూనాలపైనే అనుమానపడ్డారు. ప్రతి ప్రయోగశాల కొలతకూ గాజు నుంచి తయారుచేసిన బహుస్ఫటికాలు (polycrystals) వాడారు; వాటి కణాలు కేవలం పదుల నానోమీటర్ల పరిమాణంలో ఉంటాయి — అంటే కణ సరిహద్దులు విపరీతంగా ఉంటాయి. ఆ సరిహద్దుల వద్ద ఉండే సన్నని అస్తవ్యస్త పొరలు, లేదా మిగిలిపోయిన గాజు, ఎక్స్-రే వివర్తనంలో అంతగా కనిపించకపోయినా, పదార్థాన్ని మెత్తబరచగలవు.
లక్షలాది పరమాణువులు
దీన్ని పరీక్షించడానికి, బృందం 0–100 గిగాపాస్కల్‌లు, 0–6,000 కెల్విన్‌ల పరిధిని కవర్ చేసే క్వాంటం గణనలపై అంతర్-పరమాణు బలాల యంత్ర అభ్యసన నమూనాకు శిక్షణ ఇచ్చింది — భారీ వ్యవస్థలను సిమ్యులేట్ చేసేంత కచ్చితమైనది. ముందుగా వారు ప్రాథమికాలను తనిఖీ చేశారు: దిగువ మాంటిల్‌లో డేవ్‌మావోయిట్ సగటున ఘనాకార (cubic) నిర్మాణంలో ఉంటుంది. 20,480 పరమాణువుల సంపూర్ణ ఏక స్ఫటికంలో కూడా విరూపణ తరంగాల వేగం ప్రయోగం కంటే 10%కి పైగా ఎక్కువ వచ్చింది — కాబట్టి సిమ్యులేషన్ పరిమాణం గానీ, సమీపంలోని దశా మార్పు (phase change) గానీ అంతరాన్ని వివరించలేదు.
ఆ తర్వాత వారు సుమారు 30 నానోమీటర్ల వెడల్పున్న పెట్టెలను నిర్మించారు — వాటిలో 15, 120 లేదా 480 యాదృచ్ఛిక దిశల కణాలు, 34 లక్షల పరమాణువుల వరకు, 50 గిగాపాస్కల్‌లు, 2,142 కెల్విన్ వద్ద. కణాలు ఎంత సన్నగా ఉంటే అస్తవ్యస్త భాగం అంత పెద్దది: ఘనపరిమాణం ప్రకారం 1.8, 3.5, 5.8%.
కొద్ది అస్తవ్యస్తత, భారీ మెత్తదనం
సంపూర్ణ స్ఫటికానికీ 480 కణాల నమూనాకూ మధ్య:
- విరూపణ గుణకం 37% తగ్గింది (213 నుంచి 136 గిగాపాస్కల్‌లకు);
- ఘనపరిమాణ గుణకం (bulk modulus) కేవలం 12% తగ్గింది;
- విరూపణ తరంగ వేగం 19.3%, సంపీడన తరంగ వేగం 10.6% తగ్గాయి.
కాబట్టి కణ సరిహద్దుల వద్ద కొన్ని శాతం అస్తవ్యస్తత సిద్ధాంతాన్ని ప్రయోగంతో సమానం చేయడానికి సరిపోతుంది. అదే పరిధిలో సిమ్యులేట్ చేసిన ఎక్స్-రే నమూనాలు అంతగా మారవు; అందుకే ప్రయోగకర్తలు దాన్ని చూడలేకపోయారు. ఈ బహుస్ఫటికం భౌతికశాస్త్రం అనుమతించే అత్యంత మెత్తని అమరికలా ప్రవర్తిస్తుంది: దాని దృఢత్వాన్ని, పరస్పరం అనుసంధానమైన మృదువైన సరిహద్దుల జాలం నిర్ణయిస్తుంది.
కణ పరిమాణానికి కనిష్ఠ పరిమితి
మెత్తబడిన డేవ్‌మావోయిట్‌ను మాంటిల్ శిల నమూనాల్లో చేర్చితే, బసాల్ట్ అధికంగా ఉండే పదార్థంలో LLSVP లాంటి సంతకం ఏర్పడుతుంది: విరూపణ తరంగాలు పైరోలైట్ కంటే 6.2% నెమ్మది, సంపీడన తరంగాలు కేవలం 1.9% నెమ్మది. ఇది ఒక యంత్రాంగాన్ని చూపుతుందే తప్ప, అంత సన్నని కణాలు అక్కడ కింద నిజంగా ఉన్నాయని కాదని రచయితలు నొక్కి చెబుతారు.
ఈ సంబంధాన్ని తిరగేస్తే, అది ఒక పరిమితిని ఇస్తుంది. అస్తవ్యస్త భాగం దాదాపుగా సరిహద్దు వెడల్పు (సుమారు 1 నానోమీటర్) భాగించు కణ పరిమాణానికి అనులోమంగా ఉంటుంది. LLSVPలలో కనిపించే స్వల్ప సంపీడన తరంగ అసాధారణతలను నిలబెట్టాలంటే, ఆ భాగం సుమారు 1% కంటే తక్కువగా ఉండాలి; కాబట్టి కణాలు కనీసం సుమారు 100 నానోమీటర్ల వెడల్పు ఉండాలి. ఈ కనిష్ఠ పరిమితి సంవహనం చెందే మాంటిల్‌లో కణ పెరుగుదల నమూనాలతోనూ, ముతక కణాల LLSVPలకు సంబంధించిన భూకంప సాక్ష్యాలతోనూ సరిపోతుంది.
సిమ్యులేషన్లు స్వచ్ఛమైన కాల్షియం సిలికేట్‌ను వాడుతాయి, కానీ సహజ డేవ్‌మావోయిట్‌లో సోడియం, పొటాషియం, ఇనుము, అల్యూమినియం, టైటానియం ఉంటాయి; అలాగే సిమ్యులేషన్లలోని కణాలు నిజమైన మాంటిల్ కణాల కంటే చాలా చిన్నవి. ఇప్పటిదాకా సంఖ్యలను నిర్ణయిస్తూ వచ్చిన నమూనాల్లో ఎంత అస్తవ్యస్తత దాగి ఉందో ఎట్టకేలకు కొలవడానికి, బృందం మూడు ప్రయోగశాల మార్గాలను ప్రతిపాదిస్తోంది — సంపూర్ణ ఎక్స్-రే పరిక్షేపణం, రామన్ ఇమేజింగ్, సరిహద్దుల నానోస్థాయి రసాయన పటాలు.