L'olivina è il componente principale del mantello superiore della Terra, che comprende la maggior parte delle placche tettoniche del pianeta. Un nuovo studio offre ai ricercatori un'idea migliore della forza dell'olivina, con implicazioni su come si formano e si muovono le placche tettoniche. Credito:John St. James/Flickr
Nessuno può viaggiare all'interno della terra per studiare cosa accade lì. Quindi gli scienziati devono fare del loro meglio per replicare le condizioni del mondo reale all'interno del laboratorio.
"Siamo interessati a processi geofisici su larga scala, come il modo in cui inizia la tettonica a zolle e come le placche si muovono l'una sotto l'altra nelle zone di subduzione, " ha detto David Goldsby, professore associato presso l'Università della Pennsylvania. "Fare quello, dobbiamo capire il comportamento meccanico dell'olivina, che è il minerale più comune nel mantello superiore della terra."
Goldsby, in collaborazione con Christopher A. Thom, uno studente di dottorato alla Penn, così come i ricercatori della Stanford University, l'Università di Oxford e l'Università del Delaware, ha ora risolto una questione di vecchia data in questo campo di ricerca. Mentre precedenti esperimenti di laboratorio hanno portato a stime ampiamente disparate della forza dell'olivina nel mantello litosferico terrestre, la parte relativamente fredda e quindi forte del mantello più alto della Terra, il nuovo lavoro, pubblicato sulla rivista Progressi scientifici , risolve le disparità precedenti trovando che, minore è la granulometria dell'olivina in esame, più è forte.
Poiché l'olivina nel mantello terrestre ha una granulometria maggiore rispetto alla maggior parte dei campioni di olivina testati in laboratorio, i risultati suggeriscono che il mantello, che comprende fino al 95% delle placche tettoniche del pianeta, è infatti più debole di quanto si credesse una volta. Questa immagine più realistica dell'interno può aiutare i ricercatori a capire come si formano le placche tettoniche, come si deformano quando vengono caricati con il peso di, Per esempio, un'isola vulcanica come le Hawaii, o anche come iniziano e si propagano i terremoti.
Da più di 40 anni, i ricercatori hanno tentato di prevedere la forza dell'olivina nel mantello litosferico terrestre dai risultati di esperimenti di laboratorio. Ma i test in laboratorio sono molti strati rimossi dalle condizioni all'interno della terra, dove le pressioni sono più alte e i tassi di deformazione sono molto più lenti che in laboratorio. Un'ulteriore complicazione è che, alle temperature relativamente basse della litosfera terrestre, la forza dell'olivina è così alta che è difficile misurare la sua forza plastica senza fratturare il campione. I risultati degli esperimenti esistenti sono variati ampiamente, e non si allineano con le previsioni della forza dell'olivina da modelli e osservazioni geofisiche.
Nel tentativo di risolvere queste discrepanze, i ricercatori hanno impiegato una tecnica nota come nanoindentazione, che viene utilizzato per misurare la durezza dei materiali. In poche parole, i ricercatori misurano la durezza di un materiale, che è legato alla sua forza, applicando un carico noto a un penetratore diamantato a contatto con un minerale e quindi misurando quanto si deforma il minerale. Mentre studi precedenti hanno impiegato vari apparati di deformazione ad alta pressione per tenere insieme i campioni e impedire loro di fratturarsi, una configurazione complicata che rende impegnative le misurazioni della forza, la nanoindentazione non richiede un apparato così complesso.
Questi esempi di esperimenti di nanoindentazione che utilizzano punte di penetratore piramidali (a sinistra) e sferiche (a destra) mostrano come l'olivina minerale si deforma in risposta a un determinato carico. Credito:Università della Pennsylvania
"Con la nanoindentazione, "Goldsby ha detto, "il campione in effetti diventa il proprio recipiente a pressione. La pressione idrostatica sotto la punta del penetratore mantiene il campione confinato quando si preme la punta nella superficie del campione, permettendo al campione di deformarsi plasticamente senza fratturarsi, anche a temperatura ambiente."
Eseguendo 800 esperimenti di nanoindentazione in cui variavano la dimensione dell'indentazione variando il carico applicato alla punta di diamante premuta nel campione, il team di ricerca ha scoperto che minore è la dimensione del rientro, il più duro, e quindi più forte, l'olivina divenne.
"Questo effetto di dimensione della rientranza era stato visto in molti altri materiali, ma pensiamo che questa sia la prima volta che viene mostrato in un materiale geologico, " ha detto Goldby.
Guardando indietro ai dati di forza raccolti in precedenza per l'olivina, i ricercatori hanno determinato che le discrepanze in quei dati potrebbero essere spiegate invocando un effetto di dimensione correlato, per cui la forza dell'olivina aumenta con la diminuzione della granulometria dei campioni testati. Quando questi dati di resistenza precedenti sono stati tracciati rispetto alla dimensione del grano in ogni studio, tutti i dati si adattano a una tendenza regolare che prevede forze inferiori al previsto nel mantello litosferico terrestre.
In un articolo correlato di Thom, Goldsby e colleghi, pubblicato di recente sulla rivista Geophysical Research Letters, i ricercatori hanno esaminato i modelli di rugosità nelle faglie che sono state esposte sulla superficie terrestre a causa delle placche sollevate e dell'erosione.
"Difetti diversi hanno una ruvidità simile, e c'è un'idea pubblicata di recente che dice che potresti ottenere quei modelli perché la forza dei materiali sulla superficie della faglia aumenta con la diminuzione della scala di rugosità, " ha detto Thom. "Quei modelli e il comportamento di attrito che causano potrebbero essere in grado di dirci qualcosa su come i terremoti si nucleano e come si propagano".
Nel lavoro futuro, i ricercatori della Penn e il loro team vorrebbero studiare gli effetti della forza dimensionale in altri minerali e anche concentrarsi sull'effetto dell'aumento della temperatura sugli effetti dimensionali nell'olivina.
