مینٹل کی تہہ میں دانے کتنے بڑے ہیں؟
افریقہ اور بحرالکاہل کے بہت نیچے، مینٹل کی تہہ میں، زلزلی لہریں دو دیو ہیکل علاقوں میں سست پڑ جاتی ہیں جنہیں کم قینچی رفتار کے بڑے صوبے (large low shear-velocity provinces، LLSVPs) کہا جاتا ہے۔ یہ مرکزے کی سرحد سے 1,000 کلومیٹر سے زیادہ اوپر تک اٹھے ہوئے ہیں اور اس کے تقریباً ایک چوتھائی رقبے پر پھیلے ہوئے ہیں۔ آیا یہ زیادہ گرم ہیں، کیمیائی طور پر مختلف ہیں یا دونوں، اس پر ابھی تک بحث جاری ہے۔ زلزلی تخفیف (seismic attenuation) کے مطالعات اشارہ دیتے ہیں کہ یہ موٹے دانوں سے بنے ہیں، اور ان کے گرد باریک دانوں والا مینٹل ہے۔
ایک ممکنہ جزو ڈیوماؤائٹ (davemaoite) ہے، یعنی پیرووسکائٹ ساخت والا کیلشیم سلیکیٹ، جو زیریں مینٹل کا تیسرا سب سے زیادہ پایا جانے والا معدن ہے: یہ مینٹل کی چٹان کے معیاری ماڈل پائرولائٹ کا تقریباً 10% اور زمین کے اندر دھنسے ہوئے (subducted) بیسالٹ کا 25% تک ہے۔
تیس فیصد کی پہیلی
ڈیوماؤائٹ کا مطالعہ مشکل ہے۔ اسے صحیح سلامت سطح تک نہیں لایا جا سکتا — ٹھنڈا ہونے پر اس کی ساخت بدل جاتی ہے اور دباؤ کم ہونے پر یہ شیشے جیسا ہو جاتا ہے — اس لیے اس کی لچک کو بلند دباؤ اور درجۂ حرارت پر ہی ناپنا پڑتا ہے۔ اور وہاں دہائیوں سے نظریہ اور تجربہ متفق نہیں: کوانٹم حسابات ناپے گئے قینچی معیار (shear modulus) سے تقریباً 30% زیادہ کی پیش گوئی کرتے ہیں۔ مینٹل کے زیادہ تر معدنیات کے لیے دونوں قریب قریب متفق ہوتے ہیں۔
ووہان میں چائنا یونیورسٹی آف جیوسائنسز، جرمنی کی یونیورسٹی آف بائرُوئتھ اور یونیورسٹی آف مشی گن کے پیئی یو ژانگ، لیانگ یوآن اور ان کے ساتھیوں کو نمونوں پر شک ہوا۔ لیبارٹری کی ہر پیمائش میں شیشے سے بنائے گئے کثیر قلمی (polycrystalline) نمونے استعمال ہوئے، جن کے دانے صرف چند دسیوں نینو میٹر کے تھے — یعنی دانوں کی بہت سی سرحدیں۔ ان سرحدوں پر بے ترتیب پتلی تہیں، یا بچا کھچا شیشہ، ایکس رے انعطاف (X-ray diffraction) میں بمشکل ظاہر ہوں گی، لیکن مادے کو نرم کر سکتی ہیں۔
لاکھوں ایٹم
اسے جانچنے کے لیے ٹیم نے بین ایٹمی قوتوں کا ایک مشین لرننگ ماڈل 0 سے 100 گیگا پاسکل اور 0 سے 6,000 کیلون تک کے کوانٹم حسابات پر تربیت دیا، جو بہت بڑے نظاموں کی سمولیشن کے لیے کافی درست تھا۔ پہلے انہوں نے بنیادی باتیں جانچیں: زیریں مینٹل میں ڈیوماؤائٹ اوسطاً مکعبی (cubic) ہوتا ہے۔ 20,480 ایٹموں کا ایک کامل واحد قلم (single crystal) بھی تجربے کے مقابلے میں قینچی لہروں کے لیے 10% سے زیادہ تیز نکلا — یعنی نہ سمولیشن کا حجم اور نہ کوئی قریبی مرحلہ جاتی تبدیلی اس فرق کی وضاحت کرتی تھی۔
پھر انہوں نے تقریباً 30 نینو میٹر چوڑے ڈبے بنائے جن میں 15، 120 یا 480 بے ترتیب سمتوں والے دانے تھے، 34 لاکھ ایٹموں تک، 50 گیگا پاسکل اور 2,142 کیلون پر۔ دانے جتنے باریک، بے ترتیب حصہ اتنا ہی بڑا: حجم کے لحاظ سے 1.8، 3.5 اور 5.8%۔
تھوڑی بے ترتیبی، بڑی نرمی
ایک کامل قلم اور 480 دانوں والے نمونے کے درمیان:
- قینچی معیار 37% گر گیا (213 سے 136 گیگا پاسکل)؛
- حجمی معیار (bulk modulus) صرف 12% گرا؛
- قینچی لہروں کی رفتار 19.3% کم ہوئی، دباؤ والی لہروں کی 10.6%۔
یوں دانوں کی سرحدوں پر چند فیصد بے ترتیبی نظریے کو تجربے کے مطابق لانے کے لیے کافی ہے۔ اسی حد میں نقل شدہ ایکس رے نمونے بمشکل بدلتے ہیں، اسی لیے تجربہ کار اسے دیکھ نہیں پائے۔ کثیر قلمی مادہ اس نرم ترین ترتیب کی طرح برتاؤ کرتا ہے جس کی طبیعیات اجازت دیتی ہے: اس کی سختی لچکدار سرحدوں کے ایک جڑے ہوئے جال سے طے ہوتی ہے۔
دانوں کے حجم کی ایک نچلی حد
مینٹل کی چٹان کے ماڈلز میں ڈالنے پر، نرم شدہ ڈیوماؤائٹ بیسالٹ سے بھرپور مادے میں LLSVP جیسی علامت پیدا کرتا ہے: قینچی لہریں پائرولائٹ سے 6.2% سست، دباؤ والی لہریں صرف 1.9% سست۔ مصنفین زور دیتے ہیں کہ اس سے ایک میکانزم ثابت ہوتا ہے، یہ نہیں کہ اتنے باریک دانے واقعی وہاں نیچے موجود ہیں۔
الٹا دیکھا جائے تو یہ تعلق ایک پابندی فراہم کرتا ہے۔ بے ترتیب حصہ تقریباً سرحد کی چوڑائی (تقریباً 1 نینو میٹر) کو دانے کے حجم سے تقسیم کرنے کے برابر ہوتا ہے۔ LLSVPs میں دیکھی گئی دباؤ والی لہروں کی معمولی بے قاعدگیاں برقرار رکھنے کے لیے یہ حصہ تقریباً 1% سے نیچے رہنا چاہیے، اس لیے دانے کم از کم تقریباً 100 نینو میٹر چوڑے ہونے چاہییں۔ یہ نچلی حد حرارتی گردش (convection) والے مینٹل میں دانوں کی نشوونما کے ماڈلز اور موٹے دانوں والے LLSVPs کے زلزلی شواہد سے مطابقت رکھتی ہے۔
سمولیشنز میں خالص کیلشیم سلیکیٹ استعمال ہوا ہے، جبکہ قدرتی ڈیوماؤائٹ میں سوڈیم، پوٹاشیم، لوہا، ایلومینیم اور ٹائٹینیم ہوتے ہیں، اور سمولیشن کے دانے مینٹل کے اصل دانوں سے کہیں چھوٹے ہیں۔ ٹیم لیبارٹری کے تین راستے تجویز کرتی ہے — مکمل ایکس رے بکھراؤ (total X-ray scattering)، رامن امیجنگ اور سرحدوں کی نینو پیمانے پر کیمیائی نقشہ سازی — تاکہ آخرکار یہ ناپا جا سکے کہ جن نمونوں سے اب تک اعداد طے ہوتے رہے ہیں، ان میں کتنی بے ترتیبی چھپی ہوئی ہے۔