Að læra um vatnsinnlyksur

Við getum lært margt frá vatnsinnlyksum sem glata vatninu sínu þegar þær hafa verið fjarlægðar úr náttúrulegu umhverfi sínu í jarðskorpunni. Þegar steinar með vatni inni í þeim verða fyrir frosti, þá þenst vatnið út sem veldur því að hólfið brotnar. Í mynd hér að neðan er hægt að sjá stórt holrými á hliðinni á kvars kristalli. Það eru önnur hólf í þessum steini sem eru umlukin þykkari veggjum sem enn innihalda vatn, en hægt er að sjá það hreyfast í steininum þegar honum er snúið. Eitt mikilvægt smáatriði sem óskemmdar vatnsinnlyksur upplýsa, er að umhverfið sem þær mynduðust í getur ekki hafa breyst mikið síðan kristallinn myndaðist upphaflega. Þessi staðreynd verður þýðingarmeiri þegar við gerum okkur grein fyrir því að flestar vatnsinnlyksur finnast á eða nálægt yfirborðinu. Hefðu þær orðið fyrir frosti á svokallaðri ísöld, þá hefðu miklu fleiri slíkir steinar sprungið og skilið eftir sig brot.

Hvers vegna finnum við vatnsinnlyksur nálægt yfirborðinu ef kristallaðir steinar og steindir eiga að hafa komið djúpt úr jörðu, eins og nútíma jarðfræði kennir – hvers vegna finnast engar vatnsinnlyksur á botninum á Miklagili? Í næsta kafla verður fjallað um ástæðuna fyrir því að vatnsinnlyksur finnast nálægt yfirborðinu – vegna þess að þær mynduðust á eða nálægt yfirborðinu. Þetta bendir til þess að hvar sem þær kunna að finnast, útvega vatnsinnlyksur beina og áþreifanlega sönnun fyrir því að yfirborð jarðarinnar getur ekki hafa breyst til muna síðan þessir vatnsfylltir steinar mynduðust.

Fyrir steindafræðinga eru vatnsinnlyksur furðuverk og það kom ekki á óvart að finna hlutfallslega fáar rannsóknir á þeim. Reyndar fjalla aðeins fáeinir rannsakendur um þessa tegund steina í jarðfræðitímaritum. Við fundum að minnst var eitthvað á þá í rannsóknarskýrslum verkfræðinga sem komu inn á viðfangsefnið um vöxt kvars. Síðar í þessum kafla munum við fjalla um ástæðuna fyrir því hvers vegna verkfræðingar hafa áhuga á vatnsfylltum kvars steinum. Holufyllingar eru steinar sem geta innihaldið töluvert vatn. Til að sýna hversu mikið vatn getur verið innan í þeim, vísum við í bókina Oddities of the Mineral World:

Þéttustu svæði vatnsinnlyksa í Bandaríkjunum eru ef til vill hin margvíslegu set holufyllinga sem hafa nú þegar verið minnst á í ríkjunum Illinois, Missouri og Iowa. Nokkrir þessara staða geyma holufyllingar sem hella út vatni ef þeir eru brotnir. Athyglisverðastur er jarðlag í St. Francisville, Missouri, þar sem mjög stórar holufyllingar hafa verið fundnar sem innihalda rúmlega einn lítir af vatni. (Oddities of the Mineral World, William B. Sanborn, Van Nostrand Reinhold Co., 1976, bls. 51).

Þú gætir líklega fengið þér vænan drykk úr holufyllingu – en vatnið gæti hugsanlega verið ekki alveg svo tært þegar þú bragðaðir á því! Það er ákaflega algengt að lesa að vatnsinnlyksur innihaldi vatn sem er ‚milljónir‘ ára gamalt en það er engin mælanleg sönnun til sem stendur undir slíkum staðhæfingum. Við munum brátt uppgötva að aðferð tímasetningar yfir milljónir ára byggir á að tímasetja storkuberg – en náttúrulegir kvars kristallar voru aldrei bráðnaðir.

Eins og áður var tekið fram, myndu vatnsfylltar holufyllingar sem hefðu orðið fyrir frosti á ísöld, hafa borstið vegna frostveðrunar. Hvernig má það þá vera að heil svæði í Illinois, Missouri og Iowa eiga slík gnægð af óbrotnum holufyllingum? Í dag þurfa vatnsinnlyksurnar sem teknar eru úr Austur-Bandaríkjunum að vera haldið frá frosti um leið og þær eru teknar af jörðinni, vegna þess að þær munu ellegar brotna. Þetta hafnar hugmyndinni um ísaldir, hvort sem þær eiga að hafa átt sér stað fyrir 10.000 árum eða fyrir milljónum árum síðan. Það eru svo margar ósvaraðar spurningar eftir.

Falsvísindin um vatnsinnlyksur

Sumir rannsakendur hafa varpað fram þá hugmynd að vatnsinnlyksur hafi myndast þegar grunnvatn seytlast inn í opin holrými á steinum. Til dæmis:

Hugtakið vatnsinnlyksa vísar í vatnsfylltar holufyllingar. Þar sem holufyllingar myndast með steinefnaríku vatni sem síast inn í holrými, þá er það ekki óalgengt að sjá vaxtarferlið enn í gangi. (Oddities of the Mineral World, William B. Sanborn, Van Nostrand Reinhold Co., 1976, bls. 51).

Munum að í kaflanum um kvars leyndardóminn (undirkafli 6.4 í falskenningunni um hringrás bergs) voru yfirlýsingar jarðfræðinga sem rannsaka holufyllingar, þess efnis að þær staðfestu klárlega að jafnvel þó að nokkrar kenningar hafa verið lagðar fram, þá „virðist engin vera algerlega fullnægjandi til að útskýra öll einkenni holufyllinga.“ Þeir hafa ekki útskýrt á fullnægjandi hátt myndun holufyllinga og þeir gátu vissulega ekki útskýrt hvernig vatn komst inn í holufyllinguna. Kenningin, eða réttara sagt falsvísindin, að steinefnaríkt vatn síaðist inn í holrými til að skapa holufyllingu hefur aldrei sést gerast, né mun það nokkurn tímann. Hvers vegna ekki? Kvars kristallar sem eru stærri en nokkrir millimetrar myndast ekki í steinefnaríku vatni með lágum þrýstingi og í stofuhita.

Vatnsinnlyksur geta glatað vatninu sínu þegar þær eru teknar úr náttúrulegu umhverfi sínu og verða fyrir kulda, miklum hita eða eru skemmdar. Hins vegar glata margar ekki vatninu sínu. Ef sýnishorn eru með þykka veggi, geta þau þolað einhverjar breytingar á þrýstingi og hitastigi.  Mörg hafa verið í eigu safnara í áratugi án þess að glata vatninu sínu. Þau bera vott um hversu þéttar vatnsinnlyksur geta verið. Enn fremur geta leysiefni og önnur efni sem hafa varðveist innan í vatnsinnlyksunni sagt okkur heilmikið um það vatnsumhverfi sem kristalholufyllingarnar uxu í. Þessi vísbending sýnir ótvírætt að þessir steinkristallar uxu í vatni en urðu ekki til vegna storknunar.

Vísbending vatnsinnlyksunar

Það kemur ekki á óvart að flestir hafa aldrei heyrt orðið ‚vatnsinnlyksur‘ (e. enhydro). Hins vegar kemur á óvart að margir framhaldsnemar og prófessorar í jarðfræði vita heldur ekki hvað vatnsinnlyksur eru. Þó svo að orðið sé ekki skráð í venjulegri orðabók, þá er það skilgreint í Glossary of Geology og er þekkt meðal steinunnenda. Þekkingin á þessum einstökum gimsteinum og mikilvægi þeirra er um það bil að breytast.

Í ofangreindri mynd sjást nokkrar vatnsinnlyksur. Vatnsinnlyksa er steinn sem inniheldur sjáanlegt vatn (stundum jafnvel töluvert magn af því) og loftbólu. Sumir steinar hafa fleiri vatnshólf, hvert þeirra með eigin loftbólu. Oft hreyfast loftbólurnar til og frá þegar steininum er snúið og velt. Næsta mynd hér að neðan sýnir hvernig loftbóla sem er innilokuð í kvars kristalli hreyfist og breytir um form þegar steininum er snúið.

Á árunum þar sem UM var í mótun, voru áhugasömu fólki sýndar vatnsinnlyksur og næstum því allir brugðust eins við. Þegar það meðhöndlaði vatnsinnlyksurnar með greinilegri loftbólu á hreyfingu, vakti það sem fyrstu viðbrögð mikla furðu. Það hafði aldrei séð slíkan stein fyrr og varð hann strax athyglisverður og þarfnaðist útskýringa. Þegar það gerði sér grein fyrir því að um var að ræða innilokað vatn í steininum, breyttist undrunin í skilningsleysi.

Vegna þess að rangar kenningar um myndun bergs voru kenndar í skólum og vegna dægurmenningar sem sýnir heita og bráðnaða jörð, er uppgötvun vatns innan í steini það síðasta sem maður myndi búast við. Það er sannkölluð hliðrun á viðmiðunarramma þegar við skoðum slíkan stein í fyrsta skipti. Þetta leiðir náttúrulega til þeirrar grundvallar spurninga:

Svarið er nokkuð einfalt. Þegar kristalvöxtur gengur hratt fyrir sig, myndast vaxtarframskot og loka eitthvað af vökva-gasinu og uppleysiefninu inni sem steindin óx í. Í hvaða vökva-gasi vaxa kristallar? Það gerist í vatni. Þú getur reyndar búið þér til eigin ís-vatnsinnlyksu í frystihólfi, ef hægt er að frjósa vatnið nægilega hratt. Næsta mynd hér að neðan er dæmi um hvernig ís-vatnsinnlyksa lítur út. Að sjálfsögðu ætti ekki að vera uppi neinn vafi um það hvernig vatnið lokaðist inni í klakanum. Bólan er augljós vegna þess að vatnið var ekki algerlega frosið. Tilvist vatns innan í þessum kristöllum staðfestir klárlega að vatnsumhverfi var til staðar þegar klakinn fraus. Á sama hátt segja vatnsinnlyksaðar steindir okkur frá þeim steinefnalausnum sem vatnsinnlyksurnar uxu í.

Til að skilja hvernig kristallar geta vaxið í mettuðu steinefnaríku vatni sem síðan leysast ekki auðveldlega upp í náttúrulegu vatni, er spurning um skilning á því hvernig þrýstingur og hitastig breyta mettunargetu lausnarinnar.

Þrývarmingsferlið

Hér er í fyrsta sinn viðurkennd vísindaleg sönnunarfærsla á útfellingarferlinu „útfelling salts í jarðhita“ sem getur útskýrt myndun stærstu einsleitu steindar heimsins – salthvelfingar. Hvernig geta þessar hugmyndir átt við um aðrar bergtegundir og steindir?

Það er almennt þekkt að salt og sykur munu leysast upp í vatnsglasi – en hvenær sást steinn eins og granít leysast upp í vatni? Flestir eru sammála um að steinar, sérstaklega kvarssteinar líkt og granít leysast ekki gjarnan í vatni. Engu að síður er þetta fyrsta skrefið í áttina að skilningi okkar á því hvernig kvars steinar vaxa í vatni. Ekki hefur verið tekið eftir staðreyndinni í jarðvísindasamfélaginu að venjulegir steinar geta leyst upp í vatni. Þetta er megin umræðuefnið þessa kafla.

Augljóslega sjást algengar steindir eins og kvarssandur ekki leysast upp í vatni eða falla út úr náttúrulegu vatni með uppgufun í dag. En, núið er ekki alltaf lykillinn að fortíðinni. Bara vegna þess að við upplifum eða sjáum ekki ákveðin ferli í dag, þýðir það ekki að það hafi ekki gerst í fortíðinni. Mörg slík ferli er hægt að endurtaka að vissu marki í tilraunastofu.

Við þrýsting við sjávarmál (u.þ.b. 1 atm) og hitastigið 1700°C, þá bráðnar kvars. Hins vegar við 375°C hita og 1000 atm háan þrýsting, þá leysist kvars upp í steinefnaríkt vatn. Þetta er ekki ný athugun en hún er heldur ekki vel þekkt.

Það ferli þar sem salt leysist upp og fellur út með uppgufun er svo almennt þekkt og skilið, enda hafa náttúrufræðingar notað það til að útskýra öll saltlög, jafnvel þótt það útskýrir ekki á fullnægandi hátt myndun flestra saltlaga. Með því að skilja að steinar geta leyst upp í vatni getum við byrjað að skilja að vöxtur kristalla eða steinda úr vatni getur gerst með aðferðum öðrum en með uppgufun. Kristöllun steinda eins og kvars getur átt sér stað á þrennan hátt:

1. Lækkun hitastigs
2. Lækkun þrýstings
3. Hækkun þrýstings

Ef við höfnum sístöðureglunni, sem sýnd hefur verið fram á í köflum hér á undan að sé röng, og opnum hug okkar fyrir þeim möguleika að jörðin hafi fyrr á tíð orðið fyrir hækkun á hitastigi og háum vatnsþrýstingi, verðum við verðlaunuð með sannri þekkingu á kristöllunarferli steina og steinda.

Hár þrýstingur getur komið til djúpt í vatni. Þegar dýptin eykst, vex þrýstingur hratt. Það var ekki fyrr en á síðustu áratugum að rannsakendur hafa búið yfir tækni sem stenst þeim brakandi þrýstingi sem fyrirfinnst á hafsbotni. Hækkun á hitastigi geta átt uppruna sinn í núningshita, sem fjallað var um nýlega.

Þetta ný uppgötvaða umhverfi er nokkurt þar sem vitað er að steindir myndast í með ferli sem ekki er til nafn yfir enn. Við munum skilgreina nokkur nýyrði til að lýsa þessi ferli. Í fyrsta lagi, þrývarming er ferli sem fellir út fast efni úr lausn eða gasi með breytingu á þrýstingi eða hitastigi.

Á sama hátt og við notum hugtakið ‚uppgufun‘ til að lýsa hvernig sumar steindir kristallast vegna uppgufunar vatns, þá lýsir þrývarming hvernig steindir kristallast vegna breytinga á þrýstingi, hitastigs eða hvoru tveggja. Orðið þrývarming er komið úr orðunum ‚þrýstingur‘, ‚varmi‘ og útfelling og er notað til að lýsa föstum efnum sem verða eftir úr þrývarmingsferli. Þessi efni kallast þrývarmaset. Þrývarmaset er svipað og gufunarset. Gufunarset er lýst í kennslubókum í jarðfræði sem salt sem verður eftir að uppgufun lokinni en aftur á móti myndast steindin þrývarmaset vegna breytinga á þrýstingi og/eða hitastigi.

Uppgufun og þrývarming eru skyld ferli. Bæði eru kristöllunarferli sem innihalda föst efni sem hafa verið leyst upp í vatnslausn. Sagt er að vatn gufast upp þegar það breytist úr vökva í gasform og sleppur út en það skilur eftir áður uppleyst föst efni. Þegar lausn verður fyrir hitastigs- eða þrýstingsbreytingu, getur þrývarming átt sér stað. Í náttúrunni er ‚hreint‘ vatn ekki til og allt uppgufað vatn mun skilja eftir leifar af föstu efni. Þegar kristallar myndast vegna breytinga á hitastigi (eins og kandís) eða vegna breytinga á þrýstingi, þá myndast þrývarmaset.

Gufunarset og þrývarmaset eru bæði útfellingar sem kristallast úr föstum efnum sem áður voru uppleyst í vökva. Lausn sem verður fyrir uppgufun, eins og sjór, mun skilja eftir gufunarset sem búið er til úr steindum sem voru í lausninni, en aðeins í grunnum sjó (um það bil 1 m og grynnra) hafa menn nokkurn tímann getað séð slíka uppgufun sem skilur eftir sig föst efni. Þegar þetta gerist, þá koma öll sex sölt sjávarins í ljós sem setjast gjarnan í lög. Það er enginn möguleiki fyrir stórum einsleitum setum einnar gerðar af salti í gegnum uppgufun. Það er vegna þessa sem leyndardómurinn um saltið er til staðar. Nú, með skilning á útfellingarferlinu, getum við lýst uppruna stórra saltseta.

Flest okkar skilja að sölt leysast upp í vatni og kristallast síðan þegar vatnið gufar upp. Við vitum einnig að þau leysast aftur upp ef þeim er blandað aftur í vatn. Aðrar steindir líkt og kvars leysast ekki upp í náttúrulegu vatni. Vegna þess að hugmyndin um að kvarskristallar vaxa í vatni er óþekkt, þá er það nokkuð merkilegt að raunverulega ‚sjá‘ vatn í steinum.

Uppruni salts án uppgufunar staðfest

Er til sönnun úr tilraunastofu eða úr náttúrunni um líkanið um útfellingu saltlaga? Hugmyndin að meiriháttar saltlög hafi myndast með útfellingu salts vegna breytinga í hitastigi og þrýstingi kom um það bil á árinu 2000. Síðan þá hafa verið fáar ef nokkrar tilraunir eða athuganir í jarðfræðisamfélaginu um rannsókn á því hvort saltlög kunnu að hafa myndast frá einhverju öðru en uppgufun. Það breyttist þó í júlí 2006 þegar hópur norskra vísindamanna gáfu út nýja rannsóknargrein í tímaritinu Marine and Petroleum Geology. Þessi rannsókn var einnig birt í Oil & Gas Journal:

Hópur rithöfunda undir stjórn sérfræðings frá Statoil ASA í haf-jarðfræði hefur lagt fram óhefðbundna kenningu um uppruna salts sem gæti haft víðtæka skírskotun til könnunar á olíu og gas.

Aragrúi af föstu salti getur myndast og hlaðist upp undir yfirborðinu, óháð sólaruppgufun sjávar, segja Martin Hovland frá Statoil og fjórir aðrir höfundar. (Oil & Gas Journal).

Hér höfum við rannsakendur sem leggja fram „óhefðbundna kenningu“ sem hefur „víðtæka skírskotun.“ Hins vegar nær skírskotunin lengra en yfir svið olíu- og gaskönnunar, enda hefur hún áhrif á alla jarðfræðina. Greinin skýrir ennfremur frá því að rannsóknarteymið „sýndi hvernig fast salt myndast.“ Þeir sögðu einnig að það hafi verði eðliseiginleikar vatns sem olli útfellingunni:

Norska rannsóknarteymið sýndi hvernig fast salt myndast í ástandi hás hitastigs / hás þrýstings þegar sjór streymir í vatnsþrýstikerfi í jarðskorpunni eða undir jarðlögum.

Það eru eðliseiginleikar vatns yfir marki sem örva útfellinguna. (Oil & Gas Journal).

Norska teymið sýndi hvernig þykk saltlög myndast með tilraunum á tilraunastofu og raunverulegum athugunum á vettvangi. Nánar úr athugunum þeirra mun vera umfjöllunarefni í undirkaflanum Salt auðkennið í kafla 8. En snúum okkur aftur að greininni í Oil & Gas Journal, en þar ásaka höfundarnir jarðfræðinga um að hafa litið fram hjá þessu mikilvæga ferli:

Núverandi líkan jarðfræðinga fyrir setmyndun og uppsöfnun salts reiðir sig einungis á sólaruppgufun sjávar og hafa jarðfræðingar litið fram hjá þessu nýja gangvirki útfellingar salts í jarðhita. (Oil & Gas Journal).

Jarðhita gangvirki, sem nýtir háan þrýsting og hitastig, er grundvöllurinn fyrir ferlin sem mynduðu stór saltlög, þar með talið salthvelfingar sem talað er um í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs. Til eru stór saltlög í öllum heimsálfum og þó eru engin merki um lyftingu meginlandanna. Til þess að ákvarða hvernig þessi saltlög komust í núverandi staðsetningu sína, þá þurfum við að bera kennsl á og rannsaka áþreifanlega sönnun fyrir hækkun hitastigs sjávar og dýpkun sjávar frá fyrri tímum. Meginmarkmið 8. kafla í UM, Allherjar flóðið, er að gera einmitt það. Í þeim kafla munum við uppgötva meira um uppruna stórra saltlaga og uppruna natríns og klóríðs (þessi efni finnast ekki sem frumefni í náttúrunni) sem saltlögin og salt sjávarins eru gerð úr.

Falskenningin um útfellingu vegna uppgufunar

Hvaða áhrif hefur skortur á réttri skilgreiningu á útfellingu haft á vísindin? Eins og greint hefur verið frá, er hin rétta og algera skilgreining á útfellingu ekki kennd í náttúruvísindum í skólum, enda er nemendum kennt að útfelling gerist aðeins í efnahvörfum. Hins vegar á hún sér einnig stað við breytingu í hitastigi eða í þrýstingi. Þessi nánari skýring opnar algerlega ný tækifæri til uppgötvunar. Þegar við búum yfir þessari þekkingu, er hægt að meta og skilja betur nýja tækni og náttúruleg ferli.

Eitt náttúrulegt ferli útfellingar sem við öll könnumst við er uppgufun. Þegar saltlausn gufar upp, fellur saltið úr lausninni og skilur eftir sig kristallaðan massa sem kallaður er útfelling vegna uppgufunar. Þetta er það ferli sem haldið er fram að sé ábyrgt fyrir myndun á mörgum námum sem eiga að hafa myndast í náttúrunni á löngum tíma, t.d. saltnámur. Við lesum um þetta ferli í Wikipedia:

Þó svo að öll vötn á yfirborði og í veitum jarðar innihalda uppleyst salt, þá þarf vatnið að gufa upp í lofthjúpinn til þess að steindirnar geti fallið út. (Wikipedia).

Er þessi yfirlýsing rétt? Er uppgufun eina leiðin fyrir sölt til að falla út sem steindir? Ekki samkvæmt Jarðfræðisamfélagi Ameríku (sjá fyrri tilvitnun). Í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs var vitnað í yfirlýsingar frá saltvísindamönnum sem sýndu að hinn raunverulegi uppruni salts er ekki til staðar í jarðfræði í dag. Enn fremur voru margar vísindalegar sannanir gefnar í kaflanum um hringrás bergs, sem sýndu að „lang stærsta jarðfræðilega set ‚útfellinga vegna uppgufunar‘ er alls ekki vegna uppgufunar“. Hvað er þá ferlið?

Kristöllunarferlið

Eftir að hafa komist að raun um að vatn finnist alls staðar í alheiminum, í vetrarbrautum, á stjörnum, á sólinni, á reikistjörnum og á tunglum, þá snúum við okkur að jörðinni. Hversu mikið vatn er hér eiginlega, innan í okkar eigin bláu plánetu? Um það bil 70% af yfirborði jarðar er þakið höfum og miklu minna hlutfall er fast í jöklum og heimskautaísum. En það er meira, miklu meira að segja frá um vatn. Jörðin, sem fylgir hinu almennu lögmáli vatns, myndaðist upprunalega úr vatni. Síðan myndaði kristöllunarferli berg og steindir sem við sjáum sem fjöll og meginlönd allt í kringum okkur. Næstu bloggfærslur setja fram í fyrsta sinn í nútíma vísindum yfirgripsmikið líkan af myndun bergs og steinda, byggt á vatni.

Hinar myrku aldir vísindanna öftruðu sönnum skilningi á alhliða hugtaki og lögmáli vatns og einnig hinu raunverulega ferli kristöllunar á náttúrulegum steindum. En steinarnir sjálfir hafa sögu að segja og næstum því allir vitna um myndun sína í vatni.

Kristöllun – að búa til steina

Til eru þrjú megin ástönd efna: gas, vökvi og fast efni. Fast efni getur kristallast úr gasi eða úr vökva, en í náttúrunni myndast mikill meirihluti steinda vegna ferla í vökva. Enn fremur eru í náttúrunni aðeins til tvö ólífræn vökvaferli sem steindir myndast úr. Þessi eru:

   1. Vatnsferli
   2. Bráðnunarferli

Næstum allar steindir jarðarinnar mynduðust í ferli sem fólu í sér vatn. Við vitum þetta vegna þess að næstum allar steindir eru kristallar, en undantekningar eru örlítill hluti steina sem hafa bráðnað, en þeir mynda glerkennda eða gler-líka steina eins og vikur, hrafntinnu eða aðra hraunsteina. Jafnvel þar spilaði einnig vatn lykilhlutverki í myndun þessara glerkenndra steina. Svona eru kristallar frábrugðnir gleri:

Í efnafræði og í steindafræði er kristall fast efni þar sem uppbygging frumeinda, sameinda eða jóna er röðun í reglulegt skipulag með endurtekið mynstur í allar þrjár rúmfræðilegar víddir. (Wikipedia).

Þetta „reglulega skipulag með endurtekið mynstur“ kristalla er einfaldur lykill til skilnings á uppruna næstum allra náttúrulegra steinda jarðarinnar. Í kviku-falskenningunni ræddum við um hvernig kvars gler og kvars kristallar hafa mjög mismunandi eðliseiginleika. Mikilvægasti munurinn er sá að gler er formlaust og hefur ekki reglulega kristalbyggingu eða formgerð. Kvars kristallar hafa mjög skipulagða formgerð.

Jafnvel þó að hreint kvars (SiO2) og gler (einnig SiO2) geta efnafræðilega verið það sama, hefur kvars rúmlega 1000 sinnum meiri varmaleiðni. Þetta er vegna þess að varmi getur auðveldlega ferðast í gegnum reglulega kristalbyggingu kvars, á meðan óregluleg formgerð glers er eins og völundarhús.

Steindir eins og kvars eru gott dæmi um hið almenna lögmál reglunnar og lögmál kristöllunar sem mun vera kynnt síðar. Kvars er dæmi um þriðja lögmál alhliða heildarhugmynd vatns, lögmál vatnsmyndunar:

Allar náttúrulegar kristallaðar steindir mynduðust í vatni

Vatn er allsherjar efni sem skaffar umhverfi þar sem náttúrulegir kristallar geta myndast í og í næstum bloggfærslum munum við skoða nokkrar vísbendingar um það. Annað almenna lögmál vatns útskýrir hvers vegna jarðfræðirannskóknir sem byggðar eru á viðmiðunarramma kviku hafa verið árangurslausar í að búa til náttúrulegar steindir úr bráðnuðum steinum án vatns. Rannsakendur hafa verið árangurslausir vegna þess að náttúran virkar ekki þannig. Af þessari ástæðu myndast stór meirihluti steinda úr vatni – vegna þess að það er einungis í umhverfi vatns sem kristalbygging steinda munu myndast.

Kristöllunarferlið er ekki takmarkað við einungis lítinn hluta af steindum jarðarinnar. Þetta er hægt að skilja betur þegar við skoðum eftirfarandi tilvitnun úr vinsælli bók, Crystals and Crystal Growing. Þessi yfirlýsing er tekin úr þeirri bók í hlutanum The Genesis of Minerals (Upphaf steinda):

Ef einhver segir skyndilega við þig: „Finndu kristal og flýttu þér“, myndir þú líklega gleyma sykrinum í skálinni og saltinu í bauknum en stökkva frekar út um dyrnar til að eltast við glitrandi stein. Steindirnar sem steinar eru gerðir úr eru algengustu dæmin um kristalla – öllum er kunnugt um kvars, gimsteina og hálfdýrmætu steina sem kristalla. En það er ekki eins þekkt að öll jarðskorpan er kristölluð, með lítilli undantekningu. Vissulega er það þetta sem mest öll jarðskorpan sýnir skörpu auga, með hjálp stækkunarglers hér og þar. (Crystals and Crystal Growing: Alan Holden & Phylis Morrison, MIT Press edition 1982, bls. 46).

Að gera sér grein fyrir þessu er fyrsta skrefið í að afla sér vísdóm um hvernig jörðin myndaðist – það er að segja, með lítilli undantekningu er jörðin kristall. Nútíma jarðfræði mistókst að skilja hvernig jörðin myndaðist vegna þess að þau hafa ekki viðurkennt þá staðreynd að náttúrulegir kristallar myndast úr vatni. Höfundar Crystals and Crystal Growing halda áfram og gefa þessa skýru yfirlýsingu:

Nákvæmlega hvernig jörðin komst í þá lögun sem við þekkjum í dag er spurning sem er langt frá því að vera svarað. (Crystals and Crystal Growing: Alan Holden & Phylis Morrison, MIT Press edition 1982, bls. 46).

Hvers vegna er þessari spurningu langt frá því að vera svarað? Við komum auga á margar ástæður í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs – jarðfræðin er bókstaflega full að leyndardómum sem aldrei munu fást svör við í viðmiðunarramma kvikunnar. Það er kominn tími fyrir vísindin að viðurkenna opinskátt þessa staðreynd og horfa í átt að nýju líkani, í nýjum viðmiðunarramma sem er réttur og sem getur leyst þessa leyndardóma.

Með skilninginn um að stór meirihluti steina á jörðinni séu byggðir á kristöllum og að náttúrulegir kristallar myndast einungis í vatni, getum við byrjað að uppgötva hvernig steinar og steindir koma fram úr vatni í kristallað ásigkomulag. Til að skilja þetta, verðum við rifja upp og útskýra þýðinguna á orðinu útfelling.

Ótvíræð vísbending á Íó

Við höfum skoðað vísbendingar um uppruna hrauns með því að skoða 13 vísbendingar á tunglinu og á jörðinni. Ef þeir gerast á þessum stöðum, þá ættu þeir einnig að gerast á öðrum stöðum og við munum sjá vísbendingar um einmitt þetta. Fjórtánda vísbendingin sem fjallað verður um hér er ótvíræða vísbendingin um uppruna jarðskjálfta. Við finnum þessa vísbendingu um uppruna hrauns þegar við lítum yfir sólkerfið til að sjá eitt af merkilegustu dæmum um hraun-núnings líkanið að verki. Þessi ótrúlegi staður sem er eldvirkasti hnöttur sólkerfis okkar er tungl Júpiters, Íó. Íó er innsta tunglið af fjórum Galíleótunglum og hefur það stærsta og umfangsmesta eldvirkni sem þekkt er í sólkerfinu. Hver er leyndardómurinn af því að eldvirknin sé svona gríðarleg á Íó?

100 metra háar jarðfallabungur!

Eins og NASA orðaði það:

Massívar sjávarfallabungur á Íó eru um það bil 100 m háar, hærri en 40 hæða bygging! (Heimasíða NASA)

Yfirborð Íó rís og sígur um 100 metra – sem samsvarar lengd fótboltavallar – daglega, sem er um það bil 42 klukkutímar á Íó. Mynd hér að neðan sýnir kraftana að verki á Íó sem geta komið úr mismunandi áttum, allt eftir afstöðu Júpiters og hinna Galíleutunglanna. Vísindamenn vita að núningshiti vegna flóðkrafta gerast daglega á þessu tungli Júpiters vegna þess að þeir sjá það gerast. Hvaðan kemur sá kraftur sem orsakar slíkar hreyfingar á yfirborðinu?

Eftirfarandi tilvitnun um Íó er tekið úr einum af kennsluvefum NASA. Takið eftir orsökinni fyrir 100 metra jarðfallabungunum:

Hér eru þyngdarkraftar Júpiters og stóra tunglsins Ganýmedesar (með aðstoð frá tunglunum Evrópu og Kallistó) að leika sér í reipitogi, með Íó í hlutverki kaðalsins! Íó bungar út á tveimur stöðum líkt og [amerískur] fótbolti. (Heimasíða NASA).

Það sem er að gerast á Íó er mjög gott dæmi um þyngdarafls-núningslögmálið að verki. Hraunfamleiðsla þar er ekki vegna fræðilegarar kviku; hún er bein afleiðing núningshita. Flóðkraftar frá öðrum hnöttum valda þessum hita. Rannsakendur greina frá áhrifunum úr hnoðinu á Íó vegna togs þyngdarkrafta:

Á þessar mundir toga Júpiter og öll hin þrjú stóru tunglin á sömu hlið Íó. Braut hans beygir til að toga hann nær Júpiter. Íó aftur á móti er afmyndaður eins og [amerískur] fótbolti. (Heimasíða NASA).

Hvað hefur ‚afmyndun‘ í för með sér?

Öll þessi svignun orsakar uppsöfnun hita innan í Íó. Íó verður svo heitur að innan, að eitthvað af efninu í innviðunum bráðnar og sýður og reynir að sleppa út eins og það getur. Þannig að það sprengir holur á yfirborðinu! Þetta er það sem eldfjöll eru. Sumir þeirra á Íó hafa skotið heitum gasstróki 300 kílómetra upp í geim! (Heimasíða NASA).

Hversu mikinn hita losar Íó raunverulega? Hann kann að vera eldvirkasti hnötturinn í sólkerfinu, en hversu mikil bráðnun á sér raunverulega stað á yfirborði Íó? Rannsakendur sem rýndu í gögn frá Galileó geimfarinu sögðu árið 2004:

Það er líklegt að Íó sé að gefa af sér svo mikinn heildarhita, að besta útskýringin væri sú að eiginlega er allur hnötturinn þakinn hrauni sem er svo nýlegt, að það er enn að kólna, samkvæmt nýjum útreikningum. (Heimasíða Space Daily).

Í stuttu máli, núnings-hitalögmálið útvegar okkur uppruna hitans og þyngdarafls-núningslögmálið útvegar okkur gangverkið, eða uppruna hreyfinganna innan jarðskorpunnar sem knýja varmavél núningsins. Við tókum einnig tillit til niðurstaðnanna þessara tveggja lögmála, þar með talið hinna 13 sannanlegra vísbendinga. Þessar þrjár grundvallar hugmyndir eru það sem hraun-núnings líkanið samanstendur af, líkan sem útskýrir hvaðan hraunið á jörðinni raunverulega kemur og sem fjórtánda vísbending, tungl Júpiters, útvegar Íó ótvíræða vísbendingu um hraun-núnings líkanið.

Vísbendingin um jarðföll tunglskjálfta

Jarðfræðingar reiða sig á kvikukenninguna til að útskýra uppruna jarðskjálfta og gera þeir ráð fyrir að hægfara hreyfing í kviku inni í jörðinni valdi þessum jarðskjálftum. Krafturinn á bak við þessa hreyfingu er sagður vera uppstreymi kviku. Tunglið hefur einnig skjálfta, en ólíkt jörðinni, þá telja vísindamenn að tunglið eigi engan innra hita eftir:

Tunglið, hnöttur sem er miklu minni en jörðin, glataði innri hitanum sínum hlutfallslega snemma í sögu sinni. Það leiddi til þess að innri virkni þess hnattar hætti um það bil fyrir einum milljarð ára eða lengra síðan.  (The Age of the Earth: G. Brent Dalrymple, Stanford University Press, 1991, bls. 193).

Það eru engin eldfjöll eða virk hraunflæði á tunglinu – en þar eru tunglskjálftar. Maður spyr sig þá, ef tunglið hefur enga innri heita kviku til að valda skjálftum, hvers vegna eru þeir þá til? Úr bókinni Melting the Earth, lýsir höfundurinn því yfir að tunglið sé „dautt“ að innan og að „flóðkraftar frá jörðinni“ valdi lotum í tunglskjálftum:

Þegar skjálftamælar Apollo 12 mældu fyrstu tunglskjálftana í nóvember 1969, fengu vísindamenn beina staðfestingu á því að tunglið sé ‚dautt‘ að innan, að það eigi enga orku fyrir eldvirkni. Menn komust að því að tunglskjálftar eiga uppruna sinn um það bil 600 til 800 km undir yfirborðinu, eru mjög staðbundnir og eiga sér stað á um fjórtán daga millibili. Þeir eru greinilega hrintir af stað af flóðkröftum frá jörðinni. (Melting the Earth, The History of Ideas on Volcanic Eruptions: Haraldur Sigurðsson, Oxford University Press, 1999)

Þessir rannsakendur sögðu að flóðkraftar valdi „greinilega“ djúpum tunglskjálftum. Þúsundir tunglskjálftar sem mældir hafa verið í fleiri ár sanna á efa að djúpir tunglskjálftar eiga sér stað og að þeir hljóta að vera afleiðing flóðkrafta vegna þess að þeir gerast í lotubundnum hringrásum. Úr fjórðu Lunar Science ráðstefnunni:

Samanburður hefur leitt í ljós að margir langtíma skjálftakippir á tunglinu passa saman við hvort annað í nánast hverju smáatriði í gegnum alla bylgjuröðina. Borið hefur verið kennsl á fjörtíu og eina samstæðu af tilsvarandi viðburðum hingað til. Tilsvarandi skjálftamerki úr hverri samstæðu eru framleidd af endurteknum tunglskjálftum sem eiga sér stað á eins mánaðar fresti í einum af fjörtíu og einum upptakastað tunglskjálfta…

Sérhver upptakastaður skjálfta er virkur í aðeins fáeina daga á mánuði á einkennandi stigi í kvartalalotunni. Fjöldi tunglskjálfta sem mældir eru á virku tímabili eru á bilinu engum til fjóra. Nokkurn veginn jafn margir upptakastaðir skjálfta eru virkir á nánast gagnstæðum fasa í mánaðarlegu kvartalalotunni, sem er þá ábyrgt fyrir hinum mældu toppum tvisvar á mánuði í tunglskjálftavirkninni. (Moonquakes, meteroids, and the state of the lunar interior, G. Latham, J. Dorman, F. Duennebier, M. Ewing, D. Lammlein, Y. Nakamura, Proceedings of the Fourth Lunar Science Conference ,1973, Vol. 3, bls. 2521-2522).

Rannsakendur lýstu öðrum lotum flóðkrafta sem tengdar eru braut tunglsins með því að lýsa yfir að „ríkjandi upptök orku sem leysist úr læðingi sem tunglskjálftar“ samanstendur af „sjávarfallaorku“:

Þessi langvarandi minnkun í virkni virðist samsvara 6 ára sveiflu í álagi á sjávarföllum sem er afleiðing fráviks í hlutfallslegum fasatengslum á meðal nokkurra af kennistærðum á braut tunglsins. Hin sterku samsvörun á milli tímasetningu tunglskjálfta og orkulosun og sveifluvídd og lotur sjávarfalla tungls benda til þess að sjávarfallaorka er mikilvæg, ef ekki ríkjandi upptök orku sem leysist úr læðingi sem tunglskjálftar. (Moonquakes, meteroids, and the state of the lunar interior, G. Latham, J. Dorman, F. Duennebier, M. Ewing, D. Lammlein, Y. Nakamura, Proceedings of the Fourth Lunar Science Conference ,1973, Vol. 3, bls. 2521-2522).

Þess vegna eru skjálftar á tunglinu, sem eru svipaðir skjálftum á jörðinni, ekki orsakaðir af kviku innan í tunglinu, heldur af „sjávarfallaorku“ sem myndast vegna hringdans tunglsins í kringum jörðina.

Ef til vill ertu að furða þig á því hvers vegna tunglskjálftar valdi ekki eldgosum á tunglinu. Miðað við jörðina eru tunglskjálftar óvenju fátíðir samkvæmt skjálftagögnum sem mælar á tunglinu hafa safnað, en Apollo geimfarar settu þessa mæla þangað á milli 1969 og 1972. Af fjórum gerðum tunglskjálftum virtust aðeins grunnir skjálftar þýðingarmiklir, eða þeir sem eru innan 20-30 km dýpi. Skjálftamælarnir töldu 28 skjálfta á fimm ára tímabili, frá 1972 til 1977, með stærstu mælinguna sem 5,5 á Richterskvarðanum, samkvæmt NASA. Þó að þetta sé ekki tæmandi talning, þá sýnir hún, sem er takmörkuð við þau svæði sem Apollo geimförin staðsettu mælana, töluvert færri tunglskjálfta í samanburði við jarðskjálfta sem eiga sér stað á stærðargráðunni nokkrar milljónir daglega, samkvæmt jarðfræðimælingum Bandaríkjanna (USGS). Orka úr svo miklu minna magni af skjálftum kallar greinilega ekki fram sjáanlega eldvirkni á tunglinu í dag. Ein ástæðan fyrir því er að gagnheili jarðfræðilegu innviðirnir eru frábrugðnir þeim á jörðinni sem er með meiri vökvakennda innviði. Þar að auki snýst jörðin um sjálfa sig einu sinni á dag, en sama hlið tunglsins snýr alltaf að jörðinni. Þetta umfjöllunarefni, ásamt fleirum tengda tunglinu munu verða útskýrð bráðlega.

Vísbendingin um öndun jarðarinnar

Er jörðin að anda? Í jarðfræðilegum skilningi – já:

Nú, sumum grunar að jörðin sé einnig að ‚anda‘, þ.e. að þrýsta saman jarðskorpunni og þenja hana út einu sinni á ári. Þessi lota er augljósust í Japan, sögðu jarðeðlisfræðingar á fundinum, þar sem hún gæti verið ábyrg fyrir ‚jarðskjálftatímabil‘ landsins. Annars staðar gæti hún leitt til þess að sum eldfjöll fari að gjósa næstum einungis á milli september og desember. (Earthly Circuitry, Breathing, and Shakes, Richard A. Kerr, Science, 26. janúar 2001, Vol. 291, bls. 584).

Þessi grein úr tímaritinu Science, sýnir bara hversu sterk lotubundna samsvörunin getur verið. Í tilfellinu Pavlof, eldfjalli í Alaska, er 99% samsvörun:

GPS og spennumælar eru ekki einu hlutirnir sem virðast geta mælt öndun í plánetu. McNutt greindi frá því að hafa borið kennsl á fjögur eldfjöll – Pavlof í Alaska, Oshima og Miyake-jima í Japan og Villarica í Síle – sem greinilega gjósa aðallega á milli september og desember, með hærri líkur á gosi þá en 99% þrepið í Pavlof tilfellinu. (Earthly Circuitry, Breathing, and Shakes, Richard A. Kerr, Science, 26. janúar 2001, Vol. 291, bls. 584).

Vegna þess að jarðeðlisfræðingar sem eru fastir í hugmyndafræði kvikunnar, halda að jarðskjálftar koma úr kviku, virðast þeir vera tregir til að taka tillit til jarðskjálfta-þyngdarafls tengslanna, sem gerir það erfitt fyrir þá til að vera móttækilegir fyrir þýðingu lotubundinna viðburða:

Jarðeðlisfræðingar hafa venjulega forðast að tengja slíkt. ‚Hingað til höfum við hneigst að því að hafna hlutum án augljósra og sýnilegra gagnverka‘, sagði eldfjalla- og jarðskjálftafræðingurinn David Hill frá U.S. Geological Survey í Menlo Park, Kaliforníu. En eftir að Landers jarðskjálftinn 1992 í Kaliforníu náði að hrinda af stað skjálftum í hunduði kílómetra fjarlægð á enn leyndardómsfullan hátt, varð a.m.k. einn, Hill, móttækilegri og opnari. Hann sagði á fundinum, ‚Það sló að mér að það gæti verið eitthvað‘ við öndun jarðar og eldgos eða jarðskjálfta. (Earthly Circuitry, Breathing, and Shakes, Richard A. Kerr, Science, 26. janúar 2001, Vol. 291, bls. 584).

Jörðin er ekki eini hnötturinn sem er þekktur fyrir skjálfta. Apollo geimfarar skildu fjóra jarðskjálftamæli eftir á tunglinu, sem mældu um það bil 12.500 ‚tunglskjálfta‘ eða skjálftavirkni á 8. áratugnum. Hvaða vísbendingar eru til um tengsl þyngdarafls við tunglið?