Ingeniørprofessor løser dybt jordskælvsmysterium

Disse mystiske jordskælv stammer mellem 400 og 700 kilometer under jordens overflade og er blevet registreret med størrelser op til 8,3 på Richter-skalaen.

Xanthippi Markenscoff, en fremtrædende professor i afdelingen for mekanisk og rumfartsteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, er den person, der løste dette mysterium. Hendes papir "Volume kollaps ustabilitet i dybe jordskælv:en forskydningskilde kerneformet og drevet af tryk" vises i Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Udtrykket deep-focus jordskælv henviser til, at denne type jordskælv stammer dybt inde i jordens kappe, hvor trykkræfterne er meget høje. Siden jordskælv med dybt fokus første gang blev identificeret i 1929, forskere havde forsøgt at forstå, hvilke processer der forårsagede dem. Forskere troede, at de høje tryk ville frembringe en implosion, som intuitivt ville producere trykbølger. Imidlertid, de havde ikke været i stand til at forbinde prikkerne mellem højtrykket og den specifikke slags seismiske bølger – kaldet shear (eller distortionelle) seismiske bølger – frembragt af jordskælv med dybt fokus. (Du kan føle forvrængning energi, hvis du holder din underarm og derefter drejer den.)

I hendes nye avis, Markenscoff fuldender sin forklaring af dette mysterium, der opstår under ultrahøjt tryk. Hun optrevlede mysteriet i en række papirer, der begyndte i 2019. Derudover, hendes løsning giver indsigt i mange andre fænomener såsom planetariske påvirkninger og planetarisk dannelse, der deler lignende geofysiske processer.

"Dette er et perfekt eksempel på, hvordan dyb matematisk modellering strengt forankret i mekanik og fysik kan hjælpe os med at løse mysterier i naturen. Professor Markenscoffs arbejde kan have dybtgående indflydelse, ikke kun på, hvordan vi forstår jordskælv med dybt fokus, men også om, hvordan vi kontrollerbart kan bruge dynamiske fasetransformationer i ingeniørmaterialer til vores fordel, " sagde Huajian Gao, en fremtrædende universitetsprofessor ved Singapores Nanyang Technological University og redaktør af Journal of the Mechanics and Physics of Solids hvor Markenscoffs papir dukker op.

Fra at forvandle sten til jordskælv

Det har været velkendt, at de høje tryk, der eksisterer mellem 400 og 700 kilometer under jordens overflade, kan få olivinsten til at gennemgå en fasetransformation til en tættere type sten kaldet spinel. Dette er analogt med hvordan kul kan omdannes til diamant, hvilket også sker dybt i jordens kappe.

At gå fra olivin til tættere spinel fører til reduktioner i volumen af ​​sten, da atomer bevæger sig tættere på hinanden under stort pres. Dette kan kaldes "volumenkollaps". Dette volumenkollaps og den tilhørende "transformationsforkastning" er blevet betragtet som den overvejende årsag til jordskælv med dybt fokus. Imidlertid, indtil nu, der var ingen model baseret på volumenkollaps, der forudsagde de forskydnings- (forvrængning) seismiske bølger, der faktisk ankommer til jordens overflade under jordskælv med dybt fokus. Af denne grund blev andre modeller også overvejet, og tingenes tilstand forblev stillestående.

Markenscoff har nu løst dette mysterium ved hjælp af grundlæggende matematisk fysik og mekanik ved at opdage ustabiliteter, der opstår ved meget høje tryk. Den ene ustabilitet vedrører formen af ​​den ekspanderende region af transformerende sten, og den anden ustabilitet vedrører dens vækst.

For at de ekspanderende regioner i denne fase transformation fra olivin til spinel skal vokse sig store, disse transformerende områder med stor fortætning vil antage en fladtrykt "pandekagelignende" form, der minimerer den energi, der kræves for, at det fortættede område kan forplante sig i det utransformerede medium, når det vokser sig stort. Dette er en symmetribrudstilstand, som kan forekomme under de meget høje tryk, der findes, hvor jordskælv med dybt fokus opstår, og det er denne symmetribrud, der skaber den forskydningsdeformation, der er ansvarlig for de forskydningsbølger, der når Jordens overflade. Tidligere, forskere antog symmetri-bevarende sfærisk ekspansion, hvilket ikke ville resultere i de seismiske forskydningsbølger. De vidste ikke, at symmetrien ville få lov til at blive brudt.

"At bryde den sfæriske symmetri af formen af ​​den transformerende sten minimerer den energi, der kræves for, at fasetransformationens udbredelsesområde kan vokse sig stort, " sagde Markenscoff. "Du bruger ikke energi på at flytte overfladen af ​​en stor kugle, men kun omkredsen."

Ud over, Markenscoff forklarede, at inde i det ekspanderende område med fasetransformation af sten, der er ingen partikelbevægelse og ingen kinetisk energi (det er en "lacune"), og, dermed, energien der stråler ud er maksimeret. Dette forklarer, hvorfor de seismiske bølger kan komme til overfladen, snarere end at meget af energien spredes i Jordens indre.

Markenscoffs analytiske model for deformationsfelterne af den ekspanderende seismiske kilde er baseret på den dynamiske generalisering af den sædvanlige Eshelby (1957) inklusion, som opfylder lacuna-sætningen (Atiya et al. 1970). Energetikken i det ekspanderende område af fasetransformation er styret af Noethers (1918) teorem om teoretisk fysik, hvorigennem hun opnåede de ustabiliteter, der skaber en voksende og hurtigt bevægende lavine af kollapsende volumen under tryk. Dette er den anden opdagede ustabilitet (med hensyn til vækst):når først et vilkårligt lille fortættet, fladt område er blevet udløst, under et kritisk pres vil det fortsætte med at vokse uden behov for yderligere energi. (Det bliver bare ved med at kollapse "som et korthus".) Således, mysteriet er løst:selvom det er en forskydningskilde, det, der driver udbredelsen af ​​jordskælv med dybt fokus, er trykket, der virker på ændringen i volumen.

Da hun blev bedt om at reflektere over hendes opdagelse af, at jordskælv med dybt fokus kunne beskrives med de teoremer, der er grundlaget for matematisk fysik, hun sagde, "Jeg føler, at jeg har bundet mig til naturen. Jeg har opdaget skønheden ved, hvordan naturen fungerer. Det er første gang i mit liv. Før det satte et lille trin på en andens trin. Jeg følte denne enorme glæde."

Relevant opdagelse

Jordskælvene med dybt fokus er kun et af de fænomener, hvor disse ustabiliteter viser sig. De forekommer også i andre fænomener med dynamiske fasetransformationer under høje tryk, såsom planetariske påvirkninger og amorfisering. I dag, der er nye eksperimentelle faciliteter såsom National Ignition Facility (NIF) styret af Lawrence Liver National Laboratory, hvor forskere er i stand til at studere materialer under ekstremt høje tryk, som var umulige at teste før.

Det nye værk fra Markenscoff giver en vigtig demonstration og påmindelse om, at en dybere forståelse af naturens mysterier ofte kræver den indsigt, man kan opnå ved at udnytte det grundlæggende i matematisk fysik sammen med eksperimentel forskning udført under ekstreme forhold.

Faktisk, Markenscoff var medarrangør af to National Science Foundation (NSF) finansierede workshops ved UC San Diego i 2016 og 2019, som samlede geofysikere og seismologer med mekanikere for at sikre, at disse forskningssamfund forbliver opmærksomme på de metoder og teknikker, der er udviklet inden for mekanik.

"Vores uddannelsessystemer bør fortsætte med at investere i undervisningen i de grundlæggende videnskaber som grundpillerne for fremme af viden, som kan opnås ved tværfaglig konvergens af teori, eksperimenter og datavidenskab, " sagde Markenscoff.

Hun bemærkede også vigtigheden af ​​den forskningsstøtte, hun har modtaget gennem årene fra US National Science Foundation (NSF).

"Ved at min NSF-programleder troede på, at det var muligt at løse dette 'mysterium' og finansierede mig, styrket både min selvtillid og min vilje til at holde ud", sagde Markenscoff. "Jeg påpeger dette som en påmindelse til os alle. Det er også afgørende, at vi giver en tankevækkende og velovervejet opmuntring til vores studerende og kolleger. At vide, at mennesker, som du respekterer, tror på dig og dit arbejde kan være meget magtfulde."