Никто не может отправиться внутрь Земли, чтобы изучить, что там происходит. Поэтому ученые должны сделать все возможное, чтобы воспроизвести реальные условия в лаборатории.
«Нас интересуют крупномасштабные геофизические процессы, например, как начинается тектоника плит и как плиты перемещаются друг под другом в зонах субдукции», - сказал Дэвид Голдсби, доцент Пенсильванского университета. «Для этого нам нужно понять механическое поведение оливина, который является наиболее распространенным минералом в верхней мантии Земли».
Голдсби вместе с Кристофером А. Томом, докторантом Пенсильванского университета, а также исследователями из Стэнфордского университета, Оксфордского университета и Университета Делавэра, теперь решили давний вопрос в этой области исследовательская работа. В то время как предыдущие лабораторные эксперименты привели к весьма разрозненным оценкам прочности оливина в литосферной мантии Земли, относительно холодной и, следовательно, прочной части самой верхней мантии Земли, новая работа, опубликованная в журнале Science Advances, разрешает предыдущие расхождения, обнаружив, что, чем меньше размер зерна испытуемого оливина, тем он прочнее.
Поскольку оливин в мантии Земли имеет больший размер зерна, чем большинство образцов оливина, протестированных в лабораториях, результаты показывают, что мантия, которая составляет до 95 процентов тектонических плит планеты, на самом деле слабее, чем считалось ранее. Эта более реалистичная картина внутренней части может помочь исследователям понять, как формируются тектонические плиты, как они деформируются под весом, например, вулканического острова, такого как Гавайи, или даже как начинаются и распространяются землетрясения.
Более 40 лет исследователи пытались предсказать прочность оливина в литосферной мантии Земли по результатам лабораторных экспериментов. Но тесты в лаборатории - это много слоев, удаленных от условий внутри Земли, где давление выше, а скорость деформации намного ниже, чем в лаборатории. Еще одна сложность состоит в том, что при относительно низких температурах земной литосферы прочность оливина настолько высока, что трудно измерить его пластическую прочность без разрушения образца. Результаты существующих экспериментов сильно различаются и не согласуются с прогнозами прочности оливина, полученными на основе геофизических моделей и наблюдений.
В попытке разрешить эти несоответствия исследователи использовали технику, известную как наноиндентирование, которая используется для измерения твердости материалов. Проще говоря, исследователи измеряют твердость материала, связанную с его прочностью, прикладывая известную нагрузку к наконечнику алмазного индентора, находящегося в контакте с минералом, а затем измеряя степень деформации минерала. В то время как в предыдущих исследованиях использовались различные устройства для деформации под высоким давлением, чтобы удерживать образцы вместе и предотвращать их разрушение, сложная установка, которая усложняет измерения прочности, наноиндентирование не требует такого сложного устройства.
«При наноиндентировании, - сказал Голдсби, - образец фактически становится его собственным сосудом под давлением. Гидростатическое давление под наконечником индентора удерживает образец в замкнутом состоянии, когда вы вдавливаете наконечник в поверхность образца, позволяя образцу деформироваться. пластически без разрушения даже при комнатной температуре."
Выполнив 800 экспериментов по наноиндентированию, в которых они варьировали размер отпечатка, изменяя нагрузку, приложенную к алмазному наконечнику, вдавленному в образец, исследовательская группа обнаружила, что чем меньше размер отпечатка, тем тверже и, следовательно, сильнее стал оливин.
«Эффект размера вдавливания наблюдался во многих других материалах, но мы думаем, что это первый раз, когда он проявляется в геологическом материале», - сказал Голдсби.
Оглядываясь назад на ранее собранные данные о прочности оливина, исследователи пришли к выводу, что расхождения в этих данных могут быть объяснены эффектом связанного размера, при котором прочность оливина увеличивается с уменьшением размера зерен испытанных образцов. Когда эти предыдущие данные о прочности были сопоставлены с размером зерен в каждом исследовании, все данные укладываются в плавный тренд, который предсказывает более низкую, чем предполагалось, прочность литосферной мантии Земли..
В соответствующей статье Тома, Голдсби и их коллег, недавно опубликованной в журнале Geophysical Research Letters, исследователи изучили модели шероховатости в разломах, которые обнажились на поверхности Земли из-за поднятия плит и эрозии.
«Разные разломы имеют одинаковую шероховатость, и недавно была опубликована идея, согласно которой вы можете получить эти узоры, потому что прочность материалов на поверхности разлома увеличивается с уменьшением масштаба шероховатости», - сказал Том.«Эти паттерны и вызванное ими поведение трения могут рассказать нам кое-что о том, как зарождаются землетрясения и как они распространяются».
В своей будущей работе исследователи из Пенна и их команда хотели бы изучить влияние размера на прочность в других минералах, а также сосредоточиться на влиянии повышения температуры на размер в оливине.