Sådan ser du tusindvis af kilometer dybt ned i jorden

Forskere ledet af Sergey Lobanov fra GFZ German Research Center for Geosciences har udviklet en ny metode til at måle tætheden af ​​siliciumdioxid (SiO₂ ) glas, et af de vigtigste materialer i industri og geologi, ved tryk på op til 110 gigapascal, 1,1 millioner gange højere end normalt atmosfærisk tryk. I stedet for at anvende meget fokuserede røntgenstråler på et synkrotronanlæg, brugte de en hvid laserstråle og en diamantamboltcelle. Forskerne rapporterer om deres nye og enkle metode i det aktuelle nummer af Physical Review Letters .

Inden for geovidenskab er tætheden af ​​mineraler, sten og smelter ved tryk op til adskillige millioner atmosfærer og temperaturer på flere tusinde grader af afgørende betydning, fordi den styrer den langsigtede planetariske evolution såvel som vulkanske processer. Men hvordan kan massefylden af ​​et materiale måles under så ekstreme forhold? For at besvare dette spørgsmål for et krystallinsk mineral eller en klippe bruger forskerne røntgendiffraktion, hvormed man måler afstanden mellem de periodisk arrangerede atomer. Der er imidlertid et problem, hvis materialet har en uordnet struktur, dvs. er ikke-krystallinsk, som glas eller smeltede sten. I dette tilfælde skal prøvens volumen måles direkte - massefylden af ​​et materiale er lig med dets masse divideret med volumen. Sådanne målinger er imidlertid ekstremt vanskelige på grund af det lille volumen af ​​prøven, der bringes til højt tryk. Tidligere krævede disse målinger store røntgenfaciliteter og højt specialiseret udstyr, og de var derfor meget dyre. Nu introducerer et hold ledet af videnskabsmanden Sergey Lobanov fra GFZ German Research Center for Geosciences en ny metode, hvor en laser på størrelse med en skoæske giver dem mulighed for at måle mængden af ​​prøver, der bringes til tryk svarende til det i dybden af ​​mere end 2000 km i Jorden.

Inde i Jorden er klippen under ufatteligt højt tryk, op til flere millioner gange højere end normalt atmosfærisk tryk. Men i modsætning til udbredt tro er Jordens kappe ikke flydende, men fast. Stenen opfører sig på en viskoplastisk måde:Den bevæger sig centimeter for centimeter om året, men den ville briste under et hammerslag. Ikke desto mindre driver de langsomme bevægelser Jordens skorpeplader og tektonik, som igen udløser vulkanisme. Kemiske ændringer, for eksempel forårsaget af vand presset ud af subducerede skorpeplader, kan ændre bjergartens smeltepunkt på en sådan måde, at der pludselig dannes smeltet magma. Når denne magma finder vej til jordskorpen og til overfladen, opstår der vulkanudbrud.

Tæthed af uordnede materialer

Intet instrument i verden kan trænge igennem jordens kappe for at studere sådanne processer i detaljer. Derfor må man stole på beregninger, seismiske signaler og laboratorieforsøg for at lære mere om Jordens indre. En diamantamboltcelle kan bruges til at generere de ekstremt høje tryk og temperaturer, der hersker der. Prøverne udforsket i det er mindre end spidsen af ​​en nål. Deres volumen er i området under nanoliter. Når materiale komprimeres under så høje tryk, ændres den indre struktur. For at analysere dette præcist bruges røntgenstråler på krystaller til at generere diffraktionsmønstre. Dette gør det muligt at drage konklusioner om krystalgitterets rumfang og dermed også materialets tæthed. Ikke-krystallinske materialer, såsom glas eller smeltede sten, har indtil videre holdt deres inderste hemmeligheder for sig selv. Dette skyldes, at for uordnede materialer giver røntgendiffraktion ikke direkte information om deres volumen og tæthed.

Simpelt trick:Måling med laser i stedet for røntgenstråle

Ved hjælp af et simpelt trick er det nu lykkedes forskere ledet af Sergey Lobanov at måle brydningsindekset og densiteten af ​​siliciumdioxid (SiO₂ ) glas, et af de vigtigste materialer inden for industri og geologi, ved tryk på op til 110 gigapascal. Dette er et tryk, der hersker i mere end 2.000 kilometers dybde i Jordens indre og er 1,1 millioner gange højere end normalt atmosfærisk tryk. Forskerne brugte en flerfarvet laser til at måle lysstyrken af ​​dens refleksion fra prøven under tryk. Lysstyrken af ​​laserreflektionen indeholdt information om brydningsindekset, en grundlæggende materialeegenskab, der beskriver, hvordan lyset bremses og bøjes, når det bevæger sig gennem materialet, men også laserens vejlængde inde i prøven. Materialer med et højt brydningsindeks og densitet, såsom diamanter og metaller, ser typisk lyse og skinnende ud for vores øje. I stedet for at se på de små prøver med det blotte øje, brugte Lobanov og hans kolleger et kraftigt spektrometer til at registrere ændringer i lysstyrke ved højt tryk. Disse målinger gav refraktionsindekset for SiO₂ glas og leverede nøgleoplysninger for at kvantificere dets tæthed.

Betydningen af ​​tæthedsmåling af briller for geovidenskaberne

"Jorden var en kæmpe kugle af smeltet sten for 4,5 milliarder år siden. For at forstå, hvordan Jorden er afkølet og produceret en solid kappe og skorpe, er vi nødt til at kende de fysiske egenskaber af smeltede sten ved ekstremt tryk. At studere smelter ved højt tryk er imidlertid ekstremt udfordrende og for at omgå nogle af disse udfordringer vælger geologer at studere glas i stedet for smeltninger. Glas fremstilles ved hurtigt at afkøle varme, men tyktflydende smeltninger. Som følge heraf repræsenterer glasstrukturen ofte strukturen af ​​smelter, de blev dannet af. Tidligere målinger af glasdensitet ved højt tryk krævede store og dyre synkrotronfaciliteter, der producerer en tæt fokuseret stråle af røntgenstråler, der kan bruges til at se den lille prøve i en diamantamboltcelle. Disse var udfordrende eksperimenter, og kun tæthederne af meget få glas har blevet målt til et tryk på 1 million atmosfærer. Vi har nu vist, at udviklingen af ​​prøvevolumenet og tætheden af ​​ethvert gennemsigtigt glas kan være ac målt op til tryk på mindst 110 GPa ved hjælp af optiske teknikker," siger Lobanov. "Dette kan gøres uden for synkrotronfaciliteter og er derfor meget nemmere og billigere. Vores arbejde baner således vejen for fremtidige undersøgelser af briller, der tilnærmer Jordens nuværende og for længst svundne smeltninger. Disse fremtidige undersøgelser vil give nye kvantitative svar vedr. udviklingen af ​​den tidlige Jord såvel som drivkræfterne bag vulkanudbrud."

Nye muligheder for undersøgelse af ikke-krystallinske, oprindeligt ikke-transparente faste stoffer

Fordi prøverne er ekstremt små og derfor ultratynde, bliver selv materialer, der ligner en stenklump i store stykker, gennemskinnelige. Ifølge forskerne åbner denne udvikling nye muligheder for at studere de mekaniske og elektroniske egenskaber af ikke-krystallinske faste stoffer, der forekommer ugennemsigtige i større volumener. Ifølge forfatterne af undersøgelsen har deres resultater vidtrækkende konsekvenser for materialevidenskab og geofysik. Derudover kunne denne information tjene som benchmark for beregningsmæssige undersøgelser af transportegenskaberne for glas og smelter under ekstreme forhold.

Lobanov understreger, at denne form for undersøgelse kun blev muliggjort af det kollegiale miljø på GFZ. Han leder en Helmholtz Young Investigator Group kaldet CLEAR i afsnittet "Kemi og fysik af geomaterialer". "Vores eksperimentelle evner til at sondere prøver ved højt tryk er kun én ting," siger Lobanov, "mindst lige så vigtige var diskussionerne med kolleger i andre sektioner, som hjalp mig med at udvikle ideerne og implementere dem."