Granatets hemmeligheder afslører en kilde til vand til at give næring til kraftige vulkaner og jordskælv

Blandt geologer, der studerer kraftige jordskælv og vulkaner, der er et mysterium:Når en af ​​Jordens tektoniske plader glider ned under en anden i en subduktionszone, vand presses fra visse mineraler, smøring af jordskælv og næring til vulkaner i varme steder som Stillehavets "Ring of Fire". Men ligninger, der forudsiger, hvor subduktionskræfterne vrider vand fra sten konsekvent peger på steder langt fra stedet for faktiske katastrofer.

Ved at anvende en ny spektroskopiteknik på granat, der indeholder fragmenter af kvarts, Metamorfe petrolog Frank Spear fra Rensselaer Polytekniske Institut tror, ​​han har løst gåden. Hans tidlige forskning viser, at ligningerne er ufuldstændige, mangler den signifikante variabel "overskridelse, "den ekstra energi, der er nødvendig for at starte en proces, I dette tilfælde, nedbrydning af vandførende mineraler.

"Den virkelige synder i kraftige vulkaner og jordskælv er vand, men forskere har ikke været i stand til at afgøre, hvor vandet kommer fra, " sagde Spyd, en professor og leder af Rensselaer Institut for Jord- og Miljøvidenskab. "Konventionelle termodynamiske ligninger forudsiger, at vand frigives på en for lav dybde til at forekomme på de kendte placeringer af vulkaner og jordskælv. Men når man medregner den overskridelse, vi har opdaget, placeringerne er sammenfaldende. Ideen om at overskride er et enormt paradigmeskift."

Hans forskning er støttet af en tre-årig $419, 247 tilskud fra National Science Foundation.

Når en tektonisk plade skubbes under en anden i en subduktionszone, sedimenter og mineraler føres dybt ned i jorden, med tryk- og temperaturmontering med stigende dybde. Tidligt i processen presses flydende vand ud af porerummene mellem sten, men mange mineraler - såsom glimmer, serpentiner, og chloritter - indeholder vand som en del af deres mineralstruktur. Klorit, for eksempel, indeholder omkring 10 vægtprocent vand. Når vandførende mineraler endelig bukker under for øget temperatur og tryk, de frigiver vand.

Vandet fungerer som et smøremiddel i fejlzonen, der dannes mellem to plader, reducerer belastningen af ​​fejlen og lader pladerne glide forbi hinanden, producerer et jordskælv. Subduktionszoner producerer nogle af verdens største og mest ødelæggende jordskælv; det største jordskælv, der endnu er registreret - et jordskælv med en styrke på 9,5 i 1960 nær Valdivia, Chile - forekom i en subduktionszone. Vandet fungerer også som en flux på omgivende sten, sænke stenens smeltetemperatur, som smelter til magma, der stiger til overfladen og går i udbrud som en vulkan.

På det punkt, hvor vandet frigives, det skaber spor, Spear spores tilbage til sin oprindelse. Nye mineraler dannes i den metamorfoserende skorpe, inklusive granat, som fremkommer ved nedbrydning af vandførende klorit. Granatet dannes under pres, og nogle gange, som det gør det, den fanger fragmenter af omgivende mineraler i sit greb, fragmenter, der bevarer en registrering af det tryk, hvorunder granaten blev dannet. Spyd fandt sådanne granater, som dannes omkring små fragmenter af kvarts, på en ø i de græske Kyklader.

I sit laboratorium, Spear og hans kandidatstuderende brugte Raman-spektroskopi - almindeligvis brugt i kemi til at identificere molekylær sammensætning af en prøve - til at undersøge kvartsen indlejret i granaten. I Raman-spektroskopi, laserlys skinner på en prøve, og fotonernes energi forskydes op eller ned baseret på vekselvirkningerne mellem lyset og prøven. Forskellen mellem frekvensen af ​​det udgående og returnerende lys giver en definitiv struktursignatur.

Kvarts ved omgivende tryk producerer en velkendt signatur. Men toppen af ​​signaturen fra kvartsen i Kykladerne-prøverne blev flyttet til en højere værdi, angiver trykket på kornet. Fordi Raman-signalskiftet af kvarts er blevet omhyggeligt kalibreret, Spear var i stand til at bruge det til at bestemme trykket, og derfor dybden og temperaturen, hvorved granaten krystalliserede rundt om kvartsen.

"Det, vi opdagede, da vi gjorde dette, er, at granaten ikke dannes på den lave dybde, hvor de termodynamiske beregninger forudsagde, men meget dybere nede, nær oprindelsen af ​​vulkaner og jordskælv, " sagde Spear.

Fundet indikerer også, at granaten ikke krystalliserer ved ligevægt, som er grundlaget for termodynamiske beregninger, der forudsiger denne proces. At, sagde spyd, "var en total overraskelse." Mens initiering af de fleste processer kræver aktiveringsenergi - eller overskridelse - til en vis grad, forskere har altid antaget, at aktiveringsenergien til at starte kernedannelse af granat ville være triviel. Men resultaterne tyder på en betydelig overskridelse af 50 til 70 grader Celsius.

Den indledende forskning, udgivet i en række artikler, der begynder i 2014, var baseret på tre prøver fra et enkelt sted på Sifnos. Den nye finansiering vil støtte en bredere undersøgelse ved hjælp af 10 til 20 prøver taget fra fem separate lokationer, at afgøre, om resultaterne var "en særhed, eller en universel sandhed." Spear arbejder også på at udvikle beregninger - og en ny "maksimal drivkraftmetode" - der vil inkorporere observeret overskridelse for at give mere præcise forudsigelser.

Spears forskning opfylder The New Polytechnic, et spirende paradigme for videregående uddannelse, som anerkender, at globale udfordringer og muligheder er så store, at de ikke kan løses tilstrækkeligt af selv den mest talentfulde person, der arbejder alene. Rensselaer fungerer som en korsvej for samarbejde - arbejder med partnere på tværs af discipliner, sektorer, og geografiske regioner - for at løse komplekse globale udfordringer, ved at bruge de mest avancerede værktøjer og teknologier, hvoraf mange er udviklet hos Rensselaer. Forskning hos Rensselaer adresserer nogle af verdens mest presserende teknologiske udfordringer - fra energisikkerhed og bæredygtig udvikling til bioteknologi og menneskers sundhed. The New Polytechnic er transformerende i den globale virkning af forskning, i sin innovative pædagogik, og i livet for studerende på Rensselaer.