ما بعد البيروفسكايت

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

يُعدّ ما بعد البيروفسكايت ( pPv ) طورًا عالي الضغط من سيليكات المغنيسيوم (MgSiO3 ) . ويتكون من المكونات الأكسيدية الرئيسية للغلاف الصخري للأرض (MgO و SiO2 ) ، ويشير الضغط ودرجة الحرارة اللازمان لاستقراره إلى أنه من المحتمل أن يوجد في أجزاء من الطبقات السفلى التي يبلغ سمكها بضع مئات من الكيلومترات من غلاف الأرض .

تؤثر مرحلة ما بعد البيروفسكايت على طبقة D ′′ ، والتي تؤثر على الخلط الحراري في الوشاح المسؤول عن تكتونية الصفائح . [ 1 ]

يتمتع ما بعد البيروفسكايت بنفس البنية البلورية للمركب الصلب الاصطناعي CaIrO₃ ( إيريدات الكالسيوم (IV) )، ويُشار إليه غالبًا في المراجع العلمية باسم "طور MgSiO₃ من نوع CaIrO₃". النظام البلوري لما بعد البيروفسكايت معيني قائم ، ومجموعته الفراغية Cmcm ، وبنيته عبارة عن طبقة ثمانية السطوح SiO₆ متراصة على طول المحور b . يُشتق اسم "ما بعد البيروفسكايت" من بيروفسكايت السيليكات ، وهو الطور المستقر لـ MgSiO₃ في معظم غلاف الأرض، والذي يتميز ببنية البيروفسكايت . تشير البادئة "ما بعد" إلى أنه يظهر بعد MgSiO₃ ذي بنية البيروفسكايت مع ازدياد الضغط (وتاريخيًا، نتيجة لتطور فيزياء المعادن تحت الضغط العالي). عند ضغوط الوشاح العلوي ، الأقرب إلى سطح الأرض، يستمر MgSiO 3 على شكل معدن السيليكات إنستاتيت ، وهو معدن مكون للصخور من البيروكسين يوجد في الصخور النارية والمتحولة للقشرة الأرضية .

تاريخ

تم اكتشاف طور CaIrO₃ من طور MgSiO₃ في عام 2004 باستخدام تقنية خلية سندان الماس المسخنة بالليزر (LHDAC) من قبل فريق في معهد طوكيو للتكنولوجيا ، وبشكل مستقل من قبل باحثين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH زيورخ) والوكالة اليابانية لعلوم وتكنولوجيا البحار والأرض، والذين استخدموا مزيجًا من المحاكاة الميكانيكية الكمية وتجارب LHDAC. نُشرت ورقة فريق معهد طوكيو للتكنولوجيا في مجلة Science . [ 2 ] ونُشرت الورقة البحثية المشتركة بين ETH/JAM-EST والورقة البحثية الثانية لفريق معهد طوكيو للتكنولوجيا بعد شهرين في مجلة Nature . [ 3 ] [ 4 ] سبق هذا الاكتشاف المتزامن اكتشاف تجريبي أجراه س . أونو لطور مشابه ، يمتلك نفس البنية تمامًا، في Fe₂O₃ .

أهمية في غلاف الأرض

تكون مرحلة ما بعد البيروفسكايت مستقرة عند ضغط يزيد عن 120 جيجا باسكال ودرجة حرارة 2500 كلفن ، وتُظهر ميلًا موجبًا لمنحنى كلابيرون، ما يعني أن ضغط التحول يزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. ولأن هذه الظروف تتوافق مع عمق يبلغ حوالي 2600  كيلومتر، ولأن الانقطاع الزلزالي D" يحدث عند أعماق مماثلة، يُعتقد أن تحول طور البيروفسكايت إلى ما بعد البيروفسكايت هو أصل هذه الانقطاعات الزلزالية في هذه المنطقة. كما أن مرحلة ما بعد البيروفسكايت واعدة جدًا في تحويل المعلومات المُحددة تجريبيًا بشأن درجات الحرارة والضغوط التي تحدث عندها تحولاتها إلى معلومات مباشرة حول تغيرات درجة الحرارة في طبقة D" بمجرد تحديد الانقطاعات الزلزالية المنسوبة إلى هذا التحول بدقة كافية. ويمكن استخدام هذه المعلومات، على سبيل المثال، في:

1) تحسين التحكم في كمية الحرارة الخارجة من لب الأرض
2) تحديد ما إذا كانت ألواح الغلاف الصخري المحيطي المنغرزة تصل إلى قاعدة الوشاح أم لا
3) تساعد في تحديد درجة عدم التجانس الكيميائي في الوشاح السفلي
4) معرفة ما إذا كان الجزء السفلي من الوشاح غير مستقر تجاه عدم الاستقرار الحراري الذي يؤدي إلى صعود أعمدة حرارية ساخنة من الصخور والتي ترتفع وربما ترسم مسارات البقع الساخنة البركانية على سطح الأرض.

لهذه الأسباب، يعتبر العديد من الجيوفيزيائيين اكتشاف التحول الطوري لما بعد البيروفسكايت في MgSiO 3 أهم اكتشاف في علوم الأرض العميقة منذ عدة عقود، ولم يكن ذلك ممكناً إلا بفضل الجهود المتضافرة لعلماء فيزياء المعادن في جميع أنحاء العالم حيث سعوا إلى زيادة نطاق وجودة تجارب LHDAC وعندما اكتسبت حسابات ab initio قوة تنبؤية.

الخصائص الفيزيائية

تُؤدي البنية الصفائحية لمركب ما بعد البيروفسكايت إلى زيادة انضغاطية المحور b مقارنةً بالمحورين a و c . قد يُفسر هذا التباين شكل البلورة الصفائحية الموازية للمستوى (010)؛ ويمكن تفسير التباين الزلزالي المُلاحظ في المنطقة D" نوعيًا (وليس كميًا) بهذه الخاصية. تنبأت النظرية بانزلاق (110) المرتبط بفوالق التراص المواتية بشكل خاص، وهو ما أكدته التجارب اللاحقة. تنبأ بعض المنظرين بأنظمة انزلاق أخرى، والتي تنتظر التأكيد التجريبي. في عامي 2005 و2006، نشر أونو وأوغانوف ورقتين بحثيتين تنبأتا بأن مركب ما بعد البيروفسكايت يجب أن يتمتع بموصلية كهربائية عالية، ربما أعلى بمرتبتين من موصلية البيروفسكايت. في عام 2008، نشرت مجموعة هيروسي تقريرًا تجريبيًا يؤكد هذا التنبؤ.

الخواص الكيميائية

من التأثيرات المهمة الأخرى التي تتطلب دراسةً أدقّ لتحول الطور ما بعد البيروفسكايت، تأثير المكونات الكيميائية الأخرى المعروفة بتواجدها بدرجات متفاوتة في الطبقة السفلى من وشاح الأرض. كان يُعتقد في البداية أن ضغط تحول الطور (الموصوف بحلقة ثنائية الطور في هذا النظام) ينخفض ​​مع ازدياد محتوى أكسيد الحديد الثنائي (FeO)، لكن بعض التجارب الحديثة تشير إلى عكس ذلك. مع ذلك، من المحتمل أن يكون تأثير أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₂O₃ ) أكثر أهمية ، إذ يُرجّح أن يكون معظم الحديد في طور ما بعد البيروفسكايت ثلاثي التكافؤ (حديديك). كما تؤثر مكونات أخرى، مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) أو أكسيد الحديد الثلاثي ( Fe₂O₃ ) الأكثر تأكسدًا، على ضغط تحول الطور، وقد تتفاعل فيما بينها تفاعلات قوية. يُثير تأثير التركيب الكيميائي المتغير في الطبقة السفلى من وشاح الأرض على تحول الطور ما بعد البيروفسكايت مسألة التعديل الحراري والكيميائي لظهوره المحتمل (إلى جانب أي انقطاعات مصاحبة) في طبقة D".

ملخص

تتواصل الدراسات التجريبية والنظرية حول التحول الطوري بين البيروفسكايت وما بعد البيروفسكايت، في حين لا تزال العديد من السمات المهمة لهذا التحول الطوري غير محددة بدقة. فعلى سبيل المثال، من المعروف أن ميل كلابيرون (الموصوف بعلاقة كلاوزيوس-كلابيرون ) الذي يصف ازدياد ضغط التحول الطوري مع ارتفاع درجة الحرارة، مرتفع نسبيًا مقارنةً بتحولات الطور الأخرى بين المواد الصلبة في وشاح الأرض، إلا أن القيمة المُحددة تجريبيًا تتراوح بين 5 ميجا باسكال/كلفن و13 ميجا باسكال/كلفن. وتُعطي حسابات المبادئ الأولية نطاقًا أضيق، بين 7.5 ميجا باسكال/كلفن [ 5 ] و9.6 ميجا باسكال/كلفن، وهي على الأرجح التقديرات الأكثر موثوقية المتاحة حاليًا. وينشأ الاختلاف بين التقديرات التجريبية أساسًا من استخدام مواد مختلفة كمعايير للضغط في تجارب خلية سندان الماس . عند دمج معادلة الحالة المحددة بدقة لمعيار الضغط مع أنماط حيود الأشعة السينية عالية الطاقة المُولَّدة بواسطة السنكروترون لهذا المعيار (المُدمج مع عينة الاختبار)، نحصل على معلومات حول ظروف الضغط ودرجة الحرارة في التجربة. مع ذلك، ونظرًا لعدم كفاية التجارب التي تناولت هذه الضغوط ودرجات الحرارة القصوى، فإن معادلات الحالة للعديد من معايير الضغط الشائعة لا تزال غير محددة بدقة، وغالبًا ما تُعطي نتائج مختلفة. يُعد قياس درجة الحرارة من الإشعاع الحراري للعينة مصدرًا آخر للشك في تجارب التسخين بالليزر عالي الكثافة (LHDAC)، وهو أمر ضروري لحساب الضغط من معادلة حالة معيار الضغط. في التجارب المُسخَّنة بالليزر عند هذه الضغوط العالية (أكثر من مليون ضغط جوي)، تكون العينات صغيرة بالضرورة، ويتطلب الأمر استخدام العديد من التقريبات (مثل تقريب الجسم الرمادي) للحصول على تقديرات دقيقة لدرجة الحرارة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ دبليو آر بيلتييه (2007). "ديناميكيات الوشاح وآثار طبقة D-doubleprime على طور ما بعد البيروفسكايت". في: كي هيروسي؛ جون برودولت؛ ثوم لاي؛ ديفيد يوين (محررون). ما بعد البيروفسكايت: آخر تحول طوري في الوشاح (ملف PDF) . الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي. الصفحات 217-227 . ISBN  978-0-87590-439-9.
  2. ↑ موراكامي، م.؛ هيروسي، ك.؛ كاوامورا، ك.؛ ساتا، ن.؛ أوهيشي، ي. (2004). "التحول الطوري ما بعد البيروفسكايت في MgSiO3". مجلة ساينس . 304 (5672): 855-858 . Bibcode : 2004Sci...304..855M . doi : 10.1126/science.1095932 . PMID 15073323. S2CID 8616328 .  
  3. ↑ أوغانوف، أرتيم ر.؛ أونو، شيجياكي (2004). "أدلة نظرية وتجريبية على وجود طور ما بعد البيروفسكايت لـ MgSiO3 في طبقة D للأرض". مجلة نيتشر . 430 (6998): 445-448 . arXiv : 0911.3184 . Bibcode : 2004Natur.430..445O . doi : 10.1038/nature02701 . PMID: 15269766. S2CID : 4418049 .  
  4. ↑ إيتاكا، ت.؛ هيروسي، ك.؛ كاوامورا، ك.؛ موراكامي، م. (2004). "مرونة طور ما بعد البيروفسكايت MgSiO3 في الجزء السفلي من وشاح الأرض" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 430 (6998): 442-445 . Bibcode : 2004Natur.430..442I . doi : 10.1038/nature02702 . PMID: 15269765. S2CID : 4319162 .  
  5. ↑ تسوتشيا، تاكو؛ تسوتشيا، جون؛ أوميموتو، كويتشيرو؛ وينتزكوفيتش، ريناتا م. (2004). "التحول الطوري في بيروفسكايت MgSiO3 في الوشاح السفلي للأرض". رسائل علوم الأرض والكواكب . 224 ( 3-4 ): 241. Bibcode : 2004E & PSL.224..241T . doi : 10.1016/j.epsl.2004.05.017 .