«Мы интересуемся крупномасштабными геофизическими процессами, как то, как тектоника плит начинает и как пластины перемещаются друг под другом в зоны субдукции», сказал Дэвид Голдсби, адъюнкт-профессор в Университете Пенсильвании. «Чтобы сделать это, мы должны понять механическое поведение olivine, который является наиболее распространенным минералом в верхней мантии Земли».Голдсби, подходя к Кристоферу А. Тому, докторанту в Пенне, а также исследователях из Стэнфордского университета, Оксфордского университета и Университета Делавэра, теперь решил давний вопрос в этой области исследования. В то время как предыдущие лабораторные эксперименты привели к широко разрозненным оценкам силы olivine в литосферной мантии Земли, относительно холодном и поэтому сильной части высшей мантии Земли, новая работа, изданная в журнале Science Advances, решает предыдущие различия, находя это, чем меньший размер зерна olivine быть проверенным, тем более сильный это.
Поскольку у olivine в мантии Земли есть больший размер зерна, чем большинство olivine образцов, проверенных в лабораториях, результаты предполагают, что мантия, которая включает до 95 процентов тектонических плит планеты, на самом деле более слаба, чем когда-то веривший. Эта более реалистическая картина интерьера может помочь исследователям понять, как тектонические плиты формируются, как они искажают, когда загружено весом, например, вулканический остров, такой как Гавайи, или даже как землетрясения начинаются и размножаются.Больше 40 лет исследователи попытались предсказать силу olivine в литосферной мантии Земли от результатов лабораторных экспериментов. Но тесты в лаборатории – много слоев, удаленных из условий в Земле, где давления выше, и темпы деформации намного медленнее, чем в лаборатории.
Дальнейшее осложнение состоит в том, что при относительно низких температурах литосферы земли сила olivine так высока, что трудно измерить свою пластмассовую силу, не ломая образец. Результаты существующих экспериментов значительно различались, и они не выравнивают с предсказаниями olivine силы из геофизических моделей и наблюдений.
В попытке решить эти несоответствия, исследователи использовали технику, известную как наноуглубление, которое используется, чтобы измерить твердость материалов. Помещенный просто, исследователи измеряют твердость материала, который связан с его силой, применив известный груз к алмазному наконечнику индентера в контакте с минералом и затем имея размеры, сколько искажает минерал. В то время как предыдущие исследования использовали различные аппараты деформации высокого давления, чтобы скрепить образцы и препятствовать тому, чтобы они ломались, сложная установка, которая делает измерения оспаривания силы, наноуглубление не требует такого сложного аппарата.
«С наноуглублением», заявил Голдсби, «образец в действительности становится своей собственной камерой высокого давления. Гидростатическое давление ниже наконечника индентера сохраняет образец заключенным, когда Вы вжимаете наконечник в поверхность образца, позволяя образцу исказить пластично без перелома, даже при комнатной температуре».Выполнение 800 экспериментов наноуглубления, по которым они изменили размер углубления, изменив груз, относилось к алмазному наконечнику, принужденному к образцу, исследовательская группа нашла это, чем меньший размер заявки, тем тяжелее, и таким образом более сильный, olivine стал.«Этот эффект размера углубления был замечен во многих других материалах, но мы думаем, что это – первый раз, когда это показали в геологическом материале», заявил Голдсби.
Оглядываясь назад на ранее собранные данные о силе для olivine, исследователи решили, что несоответствия в тех данных могли быть объяснены, призвав связанный эффект размера, посредством чего сила olivine увеличивается с уменьшающимся размером зерна проверенных образцов. Когда эти предыдущие данные о силе были подготовлены против размера зерна в каждом исследовании, всей подгонке данных на гладкой тенденции, которая предсказывает более низкие, чем мысль преимущества в литосферной мантии Земли.
В связанной статье Thom, Голдсби и коллег, изданных недавно в журнале Geophysical Research Letters, исследователи исследовали образцы грубости в ошибках, которые стали выставленными в поверхности Земли из-за вздымаемых пластин и эрозии.«У различных ошибок есть подобная грубость, и есть идея, изданная недавно, который говорит, что Вы могли бы получить те образцы, потому что сила материалов по ошибке появляется увеличения с уменьшающимся масштабом грубости», сказал Том. «Те образцы и фрикционное поведение, которое они вызывают, могли бы быть в состоянии сказать нам что-то о том, как землетрясения образуют ядро и как они размножаются».
В будущей работе исследователи Пенна и их команда хотели бы изучить воздействия силы размера в других полезных ископаемых и также сосредоточиться на эффекте увеличения температуры на эффектах размера в olivine.