الوشاح العلوي

الوشاح العلوي للأرض طبقة صخرية سميكة للغاية داخل الكوكب، تبدأ أسفل القشرة مباشرةً (على عمق حوالي 10 كيلومترات تحت المحيطات ، وحوالي 35 كيلومترًا تحت القارات ) وتنتهي عند قمة الوشاح السفلي ، على عمق حوالي 670 كيلومترًا . تتراوح درجات الحرارة من حوالي 900 كلفن (627 درجة مئوية) عند الحد العلوي مع القشرة إلى حوالي 1200 كلفن (930 درجة مئوية ) عند الحد مع الوشاح السفلي. تتكون مواد الوشاح العلوي التي صعدت إلى السطح من حوالي 55% أوليفين ، و35% بيروكسين ، و5-10% من معادن أكسيد الكالسيوم وأكسيد الألومنيوم مثل البلاجيوكلاز ، والإسبينيل ، والجارنيت ، وذلك تبعًا للعمق.            

يتحدد توزيع الكثافة عبر الأرض بسرعة الموجات الزلزالية. وتزداد الكثافة تدريجياً في كل طبقة، ويعود ذلك في الغالب إلى انضغاط الصخور عند الأعماق المتزايدة. وتحدث تغيرات مفاجئة في الكثافة عند تغير تركيب المادة. ^{[ 1 ]}

يبدأ الوشاح العلوي أسفل القشرة الأرضية مباشرةً وينتهي عند قمة الوشاح السفلي. ويتسبب الوشاح العلوي في حركة الصفائح التكتونية.

يتم تمييز القشرة والوشاح من خلال التركيب، بينما يتم تعريف الغلاف الصخري والغلاف المائع من خلال التغير في الخصائص الميكانيكية. ^{[ 2 ]}

يتم تحديد قمة الوشاح بزيادة مفاجئة في سرعة الموجات الزلزالية، والتي لاحظها أندريا موهوروفيتشيتش لأول مرة في عام 1909؛ ويشار إلى هذا الحد الآن باسم انقطاع موهوروفيتشيتش أو "موهو". ^{[ 3 ]}

يُحدد انقطاع موهو قاعدة القشرة الأرضية، ويتراوح عمقه بين 10 كيلومترات (6.2 ميل) و 70 كيلومترًا (43 ميلًا) تحت سطح الأرض. القشرة المحيطية أرق من القشرة القارية ، وعادةً ما يقل سمكها عن 10 كيلومترات (6.2 ميل) . يبلغ سمك القشرة القارية حوالي 35 كيلومترًا (22 ميلًا) ، بينما يبلغ سمك جذر القشرة الأرضية الكبير تحت هضبة التبت حوالي 70 كيلومترًا (43 ميلًا) . ^{[ 4 ]}          

يبلغ سمك الوشاح العلوي حوالي 640 كيلومترًا (400 ميل) . ويبلغ سمك الوشاح بأكمله حوالي 2900 كيلومتر (1800 ميل) ، مما يعني أن الوشاح العلوي لا يمثل سوى 20% تقريبًا من سمك الوشاح الكلي. ^{[ 4 ]}    

يُمثل الحد الفاصل بين الوشاح العلوي والسفلي انقطاعًا بطول 670 كيلومترًا (420 ميلًا) . ^{[ 2 ]} تنشأ الزلازل على أعماق ضحلة نتيجةً للصدوع الانزلاقية ؛ إلا أنه تحت عمق 50 كيلومترًا تقريبًا (31 ميلًا) ، تُعيق الظروف الحارة ذات الضغط العالي حدوث المزيد من الزلازل. يتميز الوشاح بلزوجته وعدم قدرته على التصدع . مع ذلك، في مناطق الاندساس ، تُلاحظ الزلازل حتى عمق 670 كيلومترًا (420 ميلًا) . ^{[ 1 ]}      

تتراوح درجات الحرارة من حوالي 500 كلفن (227 درجة مئوية؛ 440 درجة فهرنهايت) عند الحد العلوي مع القشرة الأرضية إلى حوالي 4200 كلفن (3930 درجة مئوية؛ 7100 درجة فهرنهايت) عند الحد الفاصل بين اللب والوشاح. ^{[ 12 ]} وتبلغ أعلى درجة حرارة في الوشاح العلوي 1200 كلفن (930 درجة مئوية؛ 1700 درجة فهرنهايت) . ^{[ 13 ]}         

على الرغم من أن درجة الحرارة المرتفعة تتجاوز بكثير درجات انصهار صخور الوشاح على السطح، إلا أن الوشاح صلبٌ في معظمه. ^{[ 14 ]} ويمنع الضغط الليثوستاتيكي الهائل المُسلط على الوشاح انصهاره، لأن درجة الحرارة التي يبدأ عندها الانصهار (درجة حرارة الانصهار ) ترتفع مع الضغط. ^{[ 15 ]} ويزداد الضغط مع ازدياد العمق، إذ يتعين على المادة الموجودة أسفل الوشاح تحمل وزن جميع المواد الموجودة فوقه. ويُعتقد أن الوشاح بأكمله يتشوه كسائل على مدى فترات زمنية طويلة، مع تشوه لدن دائم.

يبلغ أعلى ضغط في الوشاح العلوي 24.0 جيجا باسكال (237,000 ضغط جوي) ^{[ 13 ]} مقارنةً بأسفل الوشاح، الذي يبلغ 136 جيجا باسكال (1,340,000 ضغط جوي) . ^{[ 12 ] [ 16 ]}    

تتراوح تقديرات لزوجة الوشاح العلوي بين 10 ^{^19} و10^ ²⁴ باسكال.ثانية ، وذلك تبعًا للعمق، ^{[ 17 ]} ودرجة الحرارة، والتركيب، وحالة الإجهاد، والعديد من العوامل الأخرى. لا يستطيع الوشاح العلوي التدفق إلا ببطء شديد. مع ذلك، عند تطبيق قوى كبيرة على الجزء العلوي منه، قد يضعف، ويُعتقد أن هذا التأثير مهم في السماح بتكوين حدود الصفائح التكتونية .

على الرغم من وجود ميل لزيادة اللزوجة عند أعماق أكبر، إلا أن هذه العلاقة بعيدة كل البعد عن الخطية، وتُظهر طبقات ذات لزوجة منخفضة بشكل كبير، لا سيما في الوشاح العلوي وعلى الحدود مع اللب. ^{[ 17 ]}

بسبب اختلاف درجة الحرارة بين سطح الأرض واللب الخارجي، وقدرة الصخور البلورية تحت ضغط ودرجة حرارة عاليتين على الخضوع لتشوه بطيء وزاحف ولزج على مدى ملايين السنين، توجد دورة حرارية للمواد في الوشاح. ^{[ 3 ]}

تصعد المواد الساخنة إلى السطح ، بينما تغوص المواد الأبرد (والأثقل) إلى الأسفل. ويحدث هذا الدوران الهابط للمواد عند حدود الصفائح المتقاربة، والتي تُسمى مناطق الاندساس . ومن المتوقع أن تتميز المواقع على السطح الواقعة فوق هذه الأعمدة بارتفاعات عالية (بسبب طفو العمود الأكثر سخونة والأقل كثافة الموجود أسفلها)، وأن تشهد نشاطًا بركانيًا ناتجًا عن البقع الساخنة .

لا تكفي البيانات الزلزالية لتحديد تركيب الوشاح. تكشف ملاحظات الصخور المكشوفة على السطح وغيرها من الأدلة أن الوشاح العلوي يتكون من معادن مافية مثل الأوليفين والبيروكسين، وتبلغ كثافته حوالي 3.33 جم/سم³ ⁽ 0.120 رطل/بوصة مكعبة ) ^{[ 1 ].}   

تتكون مواد الوشاح العلوي التي صعدت إلى السطح من حوالي 55% أوليفين و35% بيروكسين، و5 إلى 10% من أكسيد الكالسيوم وأكسيد الألومنيوم . ^{[ 1 ]} يتكون الوشاح العلوي في الغالب من البيريدوتيت ، الذي يتألف أساسًا من نسب متفاوتة من معادن الأوليفين والكلينوبيروكسين والأورثوبيروكسين ، بالإضافة إلى طور ألوميني. ^{[ 1 ]} يكون الطور الألوميني بلاجيوكلاز في الجزء العلوي من الوشاح، ثم الإسبينيل، ثم العقيق على عمق أقل من 100 كيلومتر (62 ميلًا) . ^{[ 1 ]} تدريجيًا عبر الوشاح العلوي، يصبح البيروكسين أقل استقرارًا ويتحول إلى عقيق ماجوريتي . 

تُظهر التجارب التي أُجريت على الأوليفين والبيروكسين أن هذه المعادن تُغير بنيتها مع ازدياد الضغط على أعماق أكبر، مما يُفسر عدم سلاسة منحنيات الكثافة تمامًا. فعندما يحدث تحول إلى بنية معدنية أكثر كثافة، ترتفع سرعة الموجات الزلزالية فجأةً مُحدثةً انقطاعًا. ^{[ 1 ]}

في أعلى منطقة التحول، يخضع الأوليفين لتحولات طورية متساوية التركيب الكيميائي إلى الوادسلييت والرينغووديت . وعلى عكس الأوليفين الجاف اسميًا، تتمتع هذه الأشكال المتعددة للأوليفين تحت الضغط العالي بقدرة كبيرة على تخزين الماء في بنيتها البلورية. وقد أدى ذلك إلى فرضية مفادها أن منطقة التحول قد تحتوي على كمية كبيرة من الماء. ^{[ 18 ]}

يوجد الأوليفين في باطن الأرض في الوشاح العلوي على أعماق تقل عن 410 كيلومترات (250 ميلاً) ، ويُستدل على وجود الرينغووديت ضمن المنطقة الانتقالية على عمق يتراوح بين 520 و670 كيلومتراً (320 إلى 420 ميلاً) . وقد نُسبت انقطاعات النشاط الزلزالي على أعماق تقارب 410 كيلومترات (250 ميلاً) ، و 520 كيلومتراً (320 ميلاً) ، و 670 كيلومتراً (420 ميلاً) إلى تغيرات طورية تشمل الأوليفين وأشكاله المتعددة .     

في قاعدة منطقة الانتقال، يتحلل الرينغووديت إلى بريدجمانيت (الذي كان يُسمى سابقًا بيروفسكايت سيليكات المغنيسيوم)، وفيروبيريكليز . كما يصبح العقيق غير مستقر عند قاعدة منطقة الانتقال أو أسفلها بقليل.

تنفجر صخور الكيمبرلايت من باطن الأرض، وتحمل أحيانًا شظايا صخرية. بعض هذه الشظايا الدخيلة عبارة عن ألماس لا يمكن أن يوجد إلا في ظل ضغوط عالية تحت القشرة الأرضية. أما الصخور المصاحبة لها فهي عقيدات فوق قاعدية وبيريدوتيت. ^{[ 1 ]}

يبدو تركيب الوشاح مشابهاً جداً لتركيب القشرة الأرضية. ويكمن أحد الاختلافات في أن صخور ومعادن الوشاح تميل إلى احتواء نسبة أعلى من المغنيسيوم ونسبة أقل من السيليكون والألومنيوم مقارنةً بالقشرة الأرضية. أما العناصر الأربعة الأكثر وفرة في الوشاح العلوي فهي الأكسجين والمغنيسيوم والسيليكون والحديد.

يتم إجراء استكشاف الوشاح بشكل عام في قاع البحر بدلاً من اليابسة بسبب رقة القشرة المحيطية النسبية مقارنة بالقشرة القارية الأكثر سمكًا بشكل ملحوظ.

أُجهضت المحاولة الأولى لاستكشاف الوشاح الأرضي، والمعروفة باسم مشروع موهول ، عام 1966 بعد إخفاقات متكررة وتجاوزات في التكاليف. وبلغ أقصى عمق تم الوصول إليه حوالي 180 مترًا (590 قدمًا) . وفي عام 2005، وصل بئر محيطي إلى عمق 1416 مترًا (4646 قدمًا) تحت قاع البحر بواسطة سفينة الحفر المحيطية جويدس ريزوليوشن .   

في الخامس من مارس/آذار عام 2007، انطلق فريق من العلماء على متن سفينة الأبحاث الملكية جيمس كوك في رحلة استكشافية إلى منطقة في قاع المحيط الأطلسي حيث ينكشف الوشاح الأرضي دون أي غطاء قشري، في منتصف المسافة بين جزر الرأس الأخضر والبحر الكاريبي . يقع هذا الموقع المكشوف على عمق 3 كيلومترات تقريبًا (1.9 ميل) تحت سطح المحيط، ويغطي مساحة آلاف الكيلومترات المربعة. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} 

سعت مهمة تشيكيو هاكين إلى استخدام السفينة اليابانية تشيكيو للحفر حتى عمق 7000 متر (23000 قدم) تحت قاع البحر. وفي 27 أبريل 2012، حفرت تشيكيو إلى عمق 7740 مترًا (25390 قدمًا) تحت سطح البحر، مسجلةً رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا في الحفر في أعماق البحار. وقد تجاوز هذا الرقم القياسي لاحقًا وحدة الحفر البحرية المتنقلة ديب ووتر هورايزون ، التي كانت تعمل في منطقة تيبر في حقل ميسيسيبي كانيون، خليج المكسيك بالولايات المتحدة، عندما حققت رقمًا قياسيًا عالميًا في الطول الإجمالي لسلسلة حفر رأسية بلغ 10062 مترًا (33011 قدمًا). ^{[ 24 ]} وكان الرقم القياسي السابق مسجلًا باسم السفينة الأمريكية غلومار تشالنجر ، التي حفرت عام 1978 إلى عمق 7049.5 مترًا (23130 قدمًا) تحت سطح البحر في خندق ماريانا . ^{[ 25 ]} في 6 سبتمبر 2012، سجلت سفينة الحفر العلمية في أعماق البحار تشيكيو رقماً قياسياً عالمياً جديداً من خلال الحفر والحصول على عينات صخرية من أعماق تزيد عن 2111 متراً (6926 قدماً) تحت قاع البحر قبالة شبه جزيرة شيموكيتا في اليابان في شمال غرب المحيط الهادئ.      

في عام ٢٠٠٥، طُرحت طريقة مبتكرة لاستكشاف الطبقات العليا من الأرض، والتي يبلغ قطرها بضع مئات من الكيلومترات، وتتألف من مسبار صغير وكثيف يُولّد حرارةً، يشق طريقه عبر القشرة والوشاح، بينما يُرصد موقعه وتقدمه بواسطة إشارات صوتية مُولّدة في الصخور. ^{[ ٢٦ ]} يتكون المسبار من غلاف خارجي من التنجستن يبلغ قطره حوالي متر واحد (٣ أقدام و٣ بوصات) ، ويحتوي على نظير الكوبالت-٦٠ في داخله كمصدر حراري مشع. ومن المتوقع أن يستغرق وصوله إلى انقطاع موهو في المحيط ستة أشهر . ^{[ ٢٧ ]}  

يمكن أيضًا الاستعانة بعمليات الاستكشاف من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية لتطور الوشاح الأرضي. ففي عام 2009، قدم تطبيق حاسوبي فائق رؤى جديدة حول توزيع الرواسب المعدنية، وخاصة نظائر الحديد، منذ أن تشكل الوشاح الأرضي قبل 4.5 مليار سنة. ^{[ 28 ]}

في عام 2023، استخرجت مركبة JOIDES Resolution لبابًا صخريًا بدا أنه من الوشاح العلوي بعد حفرها لبضع مئات من الأمتار فقط في كتلة أتلانتس . وصل عمق البئر إلى 1268 مترًا، واستخرجت منه عينات صخرية بطول 886 مترًا، تتكون أساسًا من البيريدوتيت . يدور جدل حول مدى تمثيل هذه العينات للوشاح العلوي، إذ يرى البعض أن تأثير مياه البحر عليها يجعلها أمثلة على القشرة الأرضية السفلى العميقة. مع ذلك، تُقدم هذه العينات نظيرًا أقرب بكثير لصخور الوشاح من الصخور الدخيلة الماغماتية، لأن الصخور التي أُخذت منها العينات لم تنصهر إلى صهارة أو تتبلور من جديد. ^{[ 29 ]}