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.

Líkanið um útfellingu saltlaga

Gott nammi sem heitir kandís sykur, sjá mynd hér að neðan, er búið til úr sykurkristöllum sem uxu úr ofurmettuðu lausn vatns og sykurs. Þegar þetta ferli er skoðað, kemur maður auga á eitt af lykilatriðunum í útfellingarferlinu.

Til að byrja með, þá er sykri bætt út í vatn og hrært þar til hann leysist upp. Með því að hita vatnið upp er hægt að leysa upp meiri sykur í lausnina. Um síðir leysist enginn frekari sykur upp, vegna þess að lausnin er þá orðin ofurmettuð. Þá er hætt að hita lausnina og hún kæld. Næst er kaldri lausninni hellt í flöskur með vítt op. Því næst er pinni settur í lausnina og loftþétt lok sett á til að forðast uppgufun en síðan tekur biðin við. Að lokum byrja litlir sykurkristallar að myndast á pinnanum. Hægt er að bæta við litar- eða bragðefnum í lausnina til að fá mismunandi afbrigði í útliti og bragði kandís kristallanna.

Sykurkristallar mynduðust þegar ofurmettaða sykurlausnin kældist. Minnkun í hitastigi er aðferð til að fella út steindir, ferli sem er allt öðruvísi en uppgufun. Það að lækka hitastig lausnar er algengt verklag í tilraunastofum í eðlisfræði og efnafræði, en það sama er ekki hægt að segja um jarðfræði. Í dag fyrirfinnast engin stór ofurmettuð og kólnandi saltvötn sem myndu leiða til kílómetra þykkra saltlaga. Hins vegar var eitt sinn tími þegar stór ofurmettuð og heit höf kólnuðu og mynduðu gífurlegt magn saltlaga, eins og þau sem sjást víðsvegar um heim í dag.

Algengasta og mikilvægasta saltið, bæði í jarðfræðinni og í líffræðinni, er NaCl – venjulegt matarsalt. Þegar hitastig í vatni er aukið frá 0°C í 100°C, eykst leysnin á NaCl úr 35 g/100ml í nærri 40 g/100ml. Eins og í dæminu um sykurkristallana mun ofurmettað NaCl lausn leyfa saltkristöllum að falla út úr lausninni þegar hitastigið lækkar (þó ekki eins mikið og í sykurlausninni). Almennt séð hefur jarðfræðin ekki íhugað hinn raunverulega möguleika fyrir því að stór og heit höf hafi þakið jörðina, og þar með hefur hún ekki íhugað að stór saltlög gætu hafa vaxið úr ofurmettaðri lausn vegna lækkunar á hitastigi. Sérhvert þeirra sex salta í sjónum, sem minnst er á í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs, kristallast úr lausn við mismunandi hitastig og þrýsting. Þannig mynduðust mikil og hrein saltlög!

Svipað og með myndun kandís sykurkristallana, mynduðust leyndardómsfull saltlög, eins og þau sem fjallað er um í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs, þegar salt féll út neðansjávar. Þetta er ástæðan fyrir því að mikill meirihluti jarðfræðilegra saltlaga er ekki útfelling vegna uppgufunar. Þetta er einnig ástæðan fyrir því að rannsakendur hafa aldrei getað endurskapað eða útskýrt nægilega vel saltlög af slíkri stærðargráðu sem á að hafa myndast með uppgufun sjávar.

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?