Jordens tektoniske plader er svagere end engang troede

Ingen kan rejse inde i jorden for at studere, hvad der sker der. Så videnskabsmænd må gøre deres bedste for at kopiere virkelige forhold inde i laboratoriet.

"Vi er interesserede i geofysiske processer i stor skala, som hvordan pladetektonikken starter, og hvordan plader bevæger sig under hinanden i subduktionszoner, sagde David Goldsby, en lektor ved University of Pennsylvania. "At gøre det, vi er nødt til at forstå den mekaniske adfærd af olivin, som er det mest almindelige mineral i jordens øverste kappe."

Goldsby, sammen med Christopher A. Thom, en doktorand ved Penn, samt forskere fra Stanford University, University of Oxford og University of Delaware, har nu løst et langvarigt spørgsmål inden for dette forskningsområde. Mens tidligere laboratorieeksperimenter resulterede i vidt forskellige skøn over styrken af ​​olivin i jordens litosfæriske kappe, den relativt kolde og derfor stærke del af Jordens øverste kappe, det nye værk, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , løser de tidligere uligheder ved at finde ud af, at jo mindre kornstørrelsen er på den olivin, der testes, jo stærkere er det.

Fordi olivin i jordens kappe har en større kornstørrelse end de fleste olivinprøver testet i laboratorier, resultaterne tyder på, at kappen, som omfatter op til 95 procent af planetens tektoniske plader, er faktisk svagere end engang troet. Dette mere realistiske billede af interiøret kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan tektoniske plader dannes, hvordan de deformeres, når de belastes med vægten af, for eksempel, en vulkanø som Hawaii, eller endda hvordan jordskælv begynder og breder sig.

I mere end 40 år, forskere har forsøgt at forudsige styrken af ​​olivin i jordens litosfæriske kappe ud fra resultaterne af laboratorieforsøg. Men test i et laboratorium er mange lag fjernet fra forholdene inde i jorden, hvor trykket er højere og deformationshastighederne er meget langsommere end i laboratoriet. En yderligere komplikation er, at ved de relativt lave temperaturer i jordens litosfære, styrken af ​​olivin er så høj, at det er vanskeligt at måle dets plastiske styrke uden at bryde prøven. Resultaterne af eksisterende eksperimenter har varieret meget, og de stemmer ikke overens med forudsigelser af olivinstyrke fra geofysiske modeller og observationer.

I et forsøg på at løse disse uoverensstemmelser, forskerne brugte en teknik kendt som nanoindentation, som bruges til at måle materialers hårdhed. Enkelt sagt, forskerne måler hårdheden af ​​et materiale, som er relateret til dens styrke, ved at påføre en kendt belastning på en diamantindspringsspids i kontakt med et mineral og derefter måle, hvor meget mineralet deformeres. Mens tidligere undersøgelser har brugt forskellige højtryksdeformationsapparater til at holde prøver sammen og forhindre dem i at bryde, et kompliceret set-up, der gør målinger af styrke udfordrende, nanoindentation kræver ikke et så komplekst apparat.

"Med nanoindentation, " sagde Goldsby, "prøven bliver i virkeligheden sin egen trykbeholder. Det hydrostatiske tryk under indrykningsspidsen holder prøven indespærret, når du trykker spidsen ind i prøvens overflade, tillade prøven at deformere plastisk uden brud, selv ved stuetemperatur."

Udførelse af 800 nanoindentationseksperimenter, hvor de varierede størrelsen af ​​fordybningen ved at variere belastningen påført diamantspidsen presset ind i prøven, forskerholdet fandt, at jo mindre indrykket var, jo sværere, og dermed stærkere, olivin blev.

"Denne fordybningsstørrelseseffekt var blevet set i mange andre materialer, men vi tror, ​​det er første gang, det er blevet vist i et geologisk materiale, " sagde Goldsby.

Ser vi tilbage på tidligere indsamlede styrkedata for olivin, forskerne fastslog, at uoverensstemmelserne i disse data kunne forklares ved at påberåbe sig en relateret størrelseseffekt, hvorved styrken af ​​olivin stiger med faldende kornstørrelse af de testede prøver. Når disse tidligere styrkedata blev plottet mod kornstørrelsen i hver undersøgelse, alle data passer på en jævn tendens, som forudsiger lavere end troede styrker i Jordens litosfæriske kappe.

I et relateret papir af Thom, Goldsby og kolleger, offentliggjort for nylig i tidsskriftet Geophysical Research Letters, forskerne undersøgte mønstre af ruhed i forkastninger, der er blevet blotlagt på jordens overflade på grund af hævede plader og erosion.

"Forskellige fejl har en lignende ruhed, og der er en idé offentliggjort for nylig, der siger, at du måske får disse mønstre, fordi styrken af ​​materialerne på fejloverfladen stiger med den faldende ruhedsskala, " sagde Thom. "Disse mønstre og den friktionsadfærd, de forårsager, kan måske fortælle os noget om, hvordan jordskælv opstår, og hvordan de udbreder sig."

I det fremtidige arbejde, Penn-forskerne og deres team vil gerne studere størrelse-styrke-effekter i andre mineraler og også fokusere på effekten af ​​stigende temperatur på størrelseseffekter i olivin.