مستحيل "الهيليوم المعدنية في الأرض الداخلية؟

في الوشاح السفلي ، يمكن أن تشكل هيليوم الغاز النبيل صلة مستقرة

في عمق الوشاح السفلي ، يمكن حبس غاز الهيليوم الغازي النبيل في أحد المعادن. © Gerhardus Swanepoel / thinkstock
قراءة بصوت عال

مصيدة الهيليوم المخفية: في الوشاح السفلي ، يمكن أن يوجد خزان هيليوم غير معروف حتى الآن - في شكل معدن يحتوي على الهيليوم. يمكن أن يكون مركب أكسيد الحديد والهيليوم ، الذي كان يُعتقد سابقًا أنه "مستحيل" ، ثابتًا في ظل الظروف القاسية الداخلية للأرض ، كما تشير نماذج الكمبيوتر الآن. إن وجود هذا المعدن قد يفسر لماذا ما زالت بعض البراكين تتفوق على الهيليوم منذ الأزمنة الأولى للأرض - لقد حوصرت في باطن الأرض.

على الرغم من أن الهليوم هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون ، إلا أن غازنا الثمين لا يتوفر على الأرض. بسبب كثافته المنخفضة ، يهرب الغاز بشكل لا يرحم إلى الفضاء ، إذا لم يتم احتجازه في حاويات أو تجاويف الصخر. ومما زاد الطين بلة ، ذرات الهيليوم بطيئة للغاية في التفاعل - طواعية ، الغاز النبيل ليس رابطة كيميائية. يمكن أن يرتبط الهيليوم بالروابط فقط تحت الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة.

من أين يأتي الهيليوم القديم؟

لكن الأمر الغريب هو أنه على الرغم من التقلب الشديد ، إلا أن الهيليوم منذ الأيام الأولى لكوكبنا لا يزال موجودًا في باطن الأرض: إن إطلاق الغاز البركاني على الحمم البركانية ، على سبيل المثال في هاواي ، يثبت أن الصخور البلوتونية يجب أن تحتوي على آثار لهذا الغاز النبيل. لذا يعتقد الباحثون أنه يوجد في مكان ما في الوشاح العميق خزان للهيليوم ، رغم أنه خامل ، يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمعادن.

البراكين الساخنة ، مثل Kilauea في هاواي ، هي موطن للهيليوم البدائي. © Ivtorov / CC-by-sa 4.0

ولكن أين يوجد خزان الهيليوم هذا وفي أي شكل يكون الغاز النبيل محيرًا. حتى الآن ، لم يتم العثور على معادن تحتوي على الهيليوم بشكل طبيعي ، كما يقول جورونج زهانج من جامعة جيلين الصينية وزملاؤه.

لذلك اتخذ الباحثون مقاربة مختلفة للبحث عن خزان الهيليوم: باستخدام برنامج كمبيوتر خاص ، بحث الباحثون عن معادن الحديد أو المغنيسيوم التي يمكن أن تتناول الهليوم في ظل الظروف القاسية الداخلية للأرض. سعت الخوارزمية على وجه التحديد إلى المركبات التي تتغير إلى حالة أكثر ملاءمة حيوية من خلال التفاعل مع الهيليوم - عندها فقط يمكن أن تكون هذه الرابطة مستقرة أيضًا. عرض

الحديد المعدنية كما فخ الهيليوم؟

النتيجة: المعادن المحتوية على المغنيسيوم لم تعثر على البرنامج ، ولكن مركبات الحديد وجدت. أظهرت الحسابات أن ثاني أكسيد الحديد (FeO 2 ) يمكن أن يشكل المعدن المستقر المحتوي على الهيليوم FeO 2 He عند درجات حرارة تتراوح بين 2720 و 4،720 درجة وضغط هائل يتراوح بين 135 إلى 300 جيجا باسكال.

هل يمكن أن يكون هذا المعدن عبارة عن خزان هيليوم طال انتظاره في باطن الأرض؟ وفقًا للباحثين ، سيكون ذلك ممكنًا تمامًا. بالنسبة للظروف التي يكون فيها FeO 2 مستقرًا تقابل تقريبًا تلك الموجودة على حدود الوشاح السفلي للنواة الأساسية للأرض ، وفقًا لتقرير تشانغ وفريقه. يقول الباحثون: "المعدن FeO 2 إنه سيكون بالتالي مركب الهيليوم الأول والوحيد الذي يمكن أن يوجد في ظروف جيوفيزيائية حقيقية".

رف الموقد كمصعد هيليوم

الغاز النبيل المتقلب كان من الممكن أن يدوم على مدى مليارات السنين في شكل هذا المعدن. في حالة وجود خزان الهيليوم المعدني هذا في الوشاح العميق ، فقد يفسر ذلك سبب إطلاق الغاز النبيل فقط في البراكين الساخنة: يكون معدن الهيليوم ثقيلًا بدرجة كافية ليتم وضعه في عمق الوشاح في الظروف العادية إقامة. فقط عند النقاط الساخنة البركانية ، حيث ينقل أعمدة الوشاح كميات كبيرة من الصخور من الوشاح السفلي إلى أعلى ، يرتفع معدن الهيليوم. بسبب انخفاض الضغط ودرجة الحرارة ، ينهار الهيكل البلوري ويتم تحرير غاز الهيليوم.

يمكن أن تتحدث خواصه الزلزالية أيضًا عن وجود المعدن المحتوي على الهيليوم في عمق الأرض ، وقد توصل الباحثون في عمليات محاكاة الكمبيوتر الخاصة بهم إلى أن FeO 2 يقوم بإبطاء موجات الزلازل بنفس القدر الذي يحدثه بالنسبة للواحد السفلي. وقد لوحظ عباءة.

"نتيجة مثيرة"

"هذه نتيجة مثيرة - طالما أنه يمكن تأكيدها في الدراسات المختبرية" ، يعلق عالم الجيوفيزياء مات جاكسون من جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، الذي لم يشارك في الدراسة. نظرًا لأن كل من ثاني أكسيد الحديد ومركب أكسيد الحديد والهيدروجين قد تم إنتاجهما بالفعل في الاختبارات المعملية تحت ضغط عال ودرجات حرارة مرتفعة ، يمكن التحقق أيضًا من قابلية تصنيع FeO2 He واستقراره ، كما يقول شارك في تأليف Changfeng Chen من جامعة نيفادا. (رسائل المراجعة البدنية 2019 ؛ دوي: 10.1103 / PhysRevLett.121.255703)

المصدر: الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS)

- ناديا بودبريجار