Профессор Делавэрского университета Джессика Уоррен и его коллеги из Стэнфордского, Оксфордского и Пенсильванского университетов сообщили о новых данных о том, что в тектонике плит важны эффекты размера материала.
Тектоника плит, то есть то, как земные плиты расходятся и снова сходятся, используется с 1960-х годов для объяснения местонахождения вулканов и землетрясений.
Исследование (ссылка здесь), опубликованное в среду, 13 сентября, в журнале Science Advances Американской ассоциации содействия развитию науки, разрешает 40-летние разногласия в наборах данных о силе оливина, самого распространенного минерала, обнаруженного в верхние 250 миль или около того Земли, известные как мантия.
«Измерение прочности оливина имеет решающее значение для понимания того, насколько сильны тектонические плиты, что, в свою очередь, имеет значение для того, как плиты ломаются и создают зоны субдукции, подобные тем, которые расположены вдоль плиты Каскадия, которая проходит вдоль западного побережья Канады. к западному побережью Соединенных Штатов», - сказал Уоррен, геолог из Колледжа Земли, океана и окружающей среды. Это также важно для понимания того, как движутся плиты в течение миллионов лет.
Документ продемонстрировал, что прочность оливина чувствительна к размеру и что оливин тем прочнее, чем меньше измеряемый объем, что было известно в материаловедении для многих металлов и керамики, но не изучалось в геологических исследованиях. материал раньше.
Уоррен объяснил, что проблема с изучением горных пород на поверхности земли заключается в том, что они больше не подвергаются высокому давлению внутри земли, которое заставляет материалы течь (как лед в леднике). Воссоздать такое повышенное давление в лаборатории сложно, поэтому ученым трудно изучать прочность материалов в лаборатории.
Исследователи использовали метод, называемый инструментальным наноиндентированием, для измерения прочности оливина. Эта техника позволила им воссоздать условия давления, подобные тем, которые находятся внутри земли, путем вдавливания алмазного наконечника, который был тщательно обработан до определенной геометрии, в кристалл оливина для измерения отклика материала. Размер алмазных наконечников варьировался от 5 до 20 микрон (0,000001 метра). Исследователи провели сотни тестов на вдавливание крошечных кристаллов оливина площадью менее квадратного сантиметра и обнаружили, что кристалл оливина становится слабее по мере увеличения размера алмазной вершины..
Чтобы подтвердить этот эффект размера, исследователи изучили доступные литературные данные о прочности оливина, чтобы определить размеры и площади, которые были проверены в предыдущих экспериментах, датируемых концом 1970-х годов. Эффект размера проявился и в старых данных.
«Причина, по которой данные за 40 лет не совпадают от одного эксперимента к другому, заключается в том, что ученые измеряли разные размеры или площади оливина», - сказал Уоррен. «Но если вы нанесете ту же информацию на график в зависимости от размера выборки, наборы данных на самом деле согласуются и отобразят одну и ту же общую тенденцию - чем больше углубление в тестируемом материале, тем слабее становится оливин».
Теперь, когда Уоррен и ее коллеги понимают этот эффект размера, они обращают внимание на то, как температура влияет на прочность оливина, и, в более широком смысле, на то, где тектонические плиты могут сломаться и образовать потенциальные зоны субдукции.
Температура внутри земли намного выше, чем на поверхности, и может варьироваться от 1 470 до 2 200 градусов по Фаренгейту (от 800 до 1 200 градусов по Цельсию).
Команда также рассмотрит, какую роль вода играет в структуре оливиновых минералов и горных пород в земле. По словам Уоррена, текущие оценки показывают, что Земля содержит от 50% до 4 раз больше воды, чем содержится в Мировом океане.
«Когда геологи смотрят на то, как изгибаются и деформируются разломы, это происходит на очень маленьком масштабе длины, где действительно важны условия влияния размера, точно так же, как наши тесты оливина в лаборатории», - сказал Уоррен. «Но этот размерный эффект исчезает, когда вы получаете достаточно большую шкалу длины тектонических плит, поэтому нам нужно учитывать другие вещи, например, когда температура и вода начинают играть роль».