تبدیل سنگ به آهن‌ربا

آزمایش‌ها راهی را نشان می‌دهند که انواع معینی از سنگ‌ها می‌توانند تبدیل به آهن‌ربا شوند یک سنگ را گرم کنید. به احتمال زیاد، آن‌چه به دست می‌آورید یک سنگ داغ است. اما نوع خاصی از سنگ را تا درجه دمایی خاص گرم کنید تا این‌که یک سنگ آهن‌ربا به دست آورید؛ این چیزی است که اکنون دانشمندان گزارش می‌کنند. بسیار پیش از آن که آهن‌رباهای کوچکی که به یخچال می‌چسبند یا آهن‌رباهای بزرگی که ماشین‌ها را در محوطه‌های اوراقی بلند می‌کنند اختراع شوند مردم آهن‌رباهای طبیعی را کشف کرده بودند. آهن‌رباترین و معمول‌ترین نوعِ آن‌ها یک سنگ آهن‌رباست که تشکیل شده است از یک ماده‌ی معدنی قهوه‌ای-سیاه به نام مگنتایت (یا کلوخه‌ی طبیعی آهن). سنگ‌های آهن‌ربا قطب‌نماهای طبیعی هستند. یکی از آن‌ها را توسط یک نخ یا سیم آویزان کنید تا ببینید که شروع می‌کند به گردیدن تا این که میدان مغناطیسی‌اش با میدان مغناطیسی زمین در یک راستا قرار گیرد. [سنگ آهن‌ربا یک آهن‌ربای طبیعی است که عمدتاً از مگنتایت (آهنِ مغناطیسی یا Fe3O4) تشکیل شده است. سیاحان باستان از سنگ آهن‌ربا به عنوان قطب‌نما استفاده می‌کردند. مگنتایت (آهنِ مغناطیسی یا Fe3O4) یک کانی آهنی قهوه‌ای-سیاه است که می‌تواند به شدت مغناطیسی شود. چنان که در فرمول شیمیایی آن نشان داده می‌شود هر مولکول مگنتایت (Fe3O4) متشکل از سه اتم آهن (Fe) و چهار اتم اکسیژن (O) است. اتم کوچک‌ترین واحد ممکن عنصر شیمیایی است. این واحد اساسی ماده از یک هسته‌ی چگال تشکیل شده است که در اطراف آن ابری از الکترون‌های دارای بار منفی در گردش است. هسته‌ی اتم دارای مخلوطی است از پروتون‌های دارای بار مثبت و نوترون‌های از لحاظ الکتریکی خنثی (مگر در مورد هیدروژن-1، که ساده‌ترین اتم است و دارای هیچ نوترونی نیست).]

توضیح شکل: سنگ آهن‌ربا، مغناطیسی‌ترین و متداول‌ترین نوع ِ آهن‌رباهای طبیعی است.
میدان مغناطیسی، ناحیه‌ای در اطراف یک ماده است که در آن نیروهای مغناطیسی‌اش را می‌توان آشکار کرد. آن نیروها از فعالیت‌ ذراتِ ریزی با بار منفی به نام الکترون که در داخل اتم هستند نشأت می‌گیرند. آهن‌رباییِ یک ماده با طریقه‌ای تعیین می‌شود که در آن الکترون‌های ماده، به ویژه الکترون‌هایی که به روش مشخصی با دیگر الکترون‌ها جفت نشده‌اند، در اطرافِ بیرونِ هسته‌های اتمِ آن گردش می‌کنند. اگر تعداد زیادی از الکترون‌های جفت نشده، در یک جهت در حال چرخش باشند (تعداد زیادی فرفره‌ی در حالِ چرخش روی یک میز یا روی یک سطح تخت دیگر را تصور کنید)، آن‌گاه میدان مغناطیسی جسم می‌تواند قوی باشد. اگر همه‌ی الکترون‌های جفت نشده، در جهت‌های تصادفی بچرخند، میدان مغناطیسی یا اصلاً وجود ندارد یا بسیار ضعیف است.
بعضی مواد مثل سنگ آهن‌ربا، میدان مغناطیسی دائمی خلق می‌کنند. دیگر موادِ دارایِ الکترون‌های جفت نشده، مثل آهن، می‌توانند با قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی، که باعث می‌شود اتم‌های آنها جهت‌گیری کنند و با خطوط میدان مغناطیسی هم‌راستا شوند، مغناطیسی شوند.
دانشمندان نمی‌دانند چگونه بعضی از سنگ‌ها، از جمله سنگ آهن‌ربا، این‌گونه قوی مغناطیسی می‌شوند. اما تست‌های آزمایشگاهی جدید نشان می‌دهند که چگونه دیگر سنگ‌ها می‌توانند به طور طبیعی مغناطیسی شوند. چارلز ابورگ، زمین شناسی در دانشگاه پاو و ادورکانتریز در فرانسه است. او و هم‌کارانش نمونه‌هایی از یک نوع سنگ رسوبی را تا یک صد و سی درجه‌ی سلسیوس (تقریباً دویست و شصت و شش درجه‌ی فارنهایت) گرم کردند. سنگ رسوبی از موادی ساییده شده از دیگر سنگ‌ها تشکیل شده است. مواد ساییده شده هنگامی به سنگ تبدیل می‌شوند که در معرض فشار بالای عمق زمین در یک دوره‌ی زمانی طولانی، گاهی میلیون‌ها سال، واقع شوند. [سنگ رسوبی نوعی سنگ است که از مواد تجمع یافته‌ای حاصل از فرسایشِ دیگر سنگ‌ها تشکیل یافته است.]
گروه ابورگ نمونه‌های سنگ خود را از شمال فرانسه به دست آردند، اما سنگ‌های مشابهی را می‌توان در سراسر جهان یافت. هر نمونه، حاویِ مقدار زیادی خاک رُس و آبرفت است (که هر دو متشکل از ذرات ریزی ساییده شده از دیگر سنگ‌هاست). اما مهم این است که این سنگ‌ها هم‌چنین دربردارنده‌ی مقدار کمی از یک کانی به نام سنگ آتش‌زنه (سولفید آهن) است. [کانی عبارت است از یک ترکیب شیمیایی که در دمای اتاق سخت و پایدار است و دارای فرمول معین، یا نسبت اختلاط معین و یک ساختمان بلوری معین است (که به این معنی است که اتم‌های آن در الگوهای سه بعدیِ قاعده‌مندِ معینی سازمان‌دهی شده‌اند). سنگ آتش‌زنه یک کانی آهنی معمول است که نمی‌تواند به طور دائمی یک میدان مغناطیسی را نگاه دارد، اما به طور ضعیفی به آهن‌رباها جذب می‌شود. چنان که در فرمول شیمیایی آن نشان داده می‌شود هر مولکول سنگ آتش‌زنه (FeS2) متشکل از یک اتم آهن (Fe) و دو اتم گوگرد (S) است.]
نخست، گروه از یک میدان مغناطیسی قوی برای زدودن هر گونه مغناطیسم طبیعی گیر افتاده در نمونه استفاده کردند. سپس محققین، سنگ را در درون یک میدان مغناطیسی قوی مطابق با این دستورالعمل گرم کردند: بیست و پنج روز در دمای پنجاه درجه‌ی سلسیوس، سپس بیست و پنج روز در هفتاد درجه‌ی سلسیوس، بیست و پنج روز در هشتاد درجه، ده روز در یک صد و بیست درجه، و نهایتاً ده روز در یک صد و سی درجه. ابورگ توضیح داد که این محدوده‌ی دمایی همان است که سنگ‌های واقع در دو تا چهار کیلومتری عمق پوسته‌ی زمین تحمل می‌کنند.
میدان مغناطیسیِ سنگ در طی هر مرحله‌ی گرمایی زیاد می‌شد. سرعتِ افزایش آن در طی روزهای نخستِ هر مرحله بیش‌تر بود. مغناطیس شدگیِ رو به رشدِ نمونه‌ها پیشنهاد می‌کند که گرما ماشه‌ی واکنش‌هایی را کشیده است که باعث می‌شوند مقدار زیادی از سولفید آهن (سنگ آتش‌زنه) به صورت شیمیایی به کانی‌های مغناطیسی تبدیل شود.
تحلیل‌های هدایت شده پس از این گرمادهی، پیشنهاد می‌نماید که کانی‌های مغناطیسی در واقع دانه‌های بسیار ریزی از مگنتایت بوده‌اند. ریزی این دانه‌ها، کم‌تر از بیست نانومتر، آن‌قدر بوده است که بیش از هزار تا از آن‌ها را که در یک ردیف پشت سر هم قرار دهیم به اندازه‌ی ضخامت موی سر انسان می‌شوند. محققین، نتایج کار خود را به صورت آن‌لاین در دهم آگوست در ژورنال «زمین-شیمی، زمین-فیزیک، زمین-سیستم‌ها» گزارش دادند.
داگلاس المور می‌گوید از آن جا که دانه‌های مگنتایت تا این حد کوچک بودند، پیدا کردن یکی از آن‌ها «هم‌چون تلاش برای یافتن سوزنی در انبارِ کاه» بود. او یک زمین شناسِ متخصص در سنگ‌های رسوبی در دانشگاه اوکلاهما در نورمان است. با این حال او یادآور می‌شود که شواهد در این مورد که آزمایش‌های گرمایی، دانه‌های ریزی از مگنتایت، و نه هیچ نوع دیگری از مواد مغناطیسی، را به وجود آوردند قانع کننده‌اند.
اِلمور می‌گوید که مطالعاتی که روی سنگ‌ها در محیط طبیعی آن‌ها تحقیق کرده‌اند بر این اشاره داشته‌اند که سنگ‌های مدفون شده در لایه‌های کم عمقِ پوسته‌ی زمین و به طور طبیعی گرم شده در آن‌جا، می‌توانند مغناطیسی شوند. او می‌افزاید که تست‌های آزمایشگاهی جدید، حتی شواهدی قوی‌تر در زمینه‌ی وقوع طبیعی چنین مغناطیس شدگی‌ای را فراهم می‌آورد. مطالعه روی میدان مغناطیسی به دام افتاده در سنگ‌های قدیمی، به دانشمندان کمک می‌کند که تاریخ زمین را، از جمله در مورد این که چگونه میدان مغناطیسی سیاره در طی زمان تغییر کرده است، بهتر بفهمند.