Quando un terremoto colpisce, i sismometri vicini raccolgono le sue vibrazioni sotto forma di onde sismiche. Oltre a rivelare l'epicentro di un terremoto, le onde sismiche possono dare agli scienziati un modo per mappare le strutture interne della Terra, proprio come una TAC immagini il corpo.

Misurando la velocità con cui le onde sismiche viaggiano a varie profondità, gli scienziati possono determinare i tipi di rocce e altri materiali che si trovano sotto la superficie terrestre. L'accuratezza di tali mappe sismiche dipende dalla comprensione degli scienziati di come i vari materiali influenzano la velocità delle onde sismiche.

Ora i ricercatori del MIT e dell'Australian National University hanno scoperto che le onde sismiche sono essenzialmente cieche per una sostanza molto comune che si trova all'interno della Terra:l'acqua.

Le loro scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Natura , andare contro l'assunto generale che l'imaging sismico può rilevare segni di acqua in profondità all'interno del mantello superiore della Terra. Infatti, il team ha scoperto che anche tracce di acqua non hanno alcun effetto sulla velocità con cui viaggiano le onde sismiche.

I risultati possono aiutare gli scienziati a reinterpretare le mappe sismiche dell'interno della Terra. Ad esempio, in luoghi come le dorsali oceaniche, magma dal profondo della Terra erutta attraverso enormi crepe nel fondo marino, diffondendosi dalla cresta e infine solidificandosi come nuova crosta oceanica.

Il processo di fusione a decine di chilometri sotto la superficie rimuove piccole quantità di acqua che si trovano nelle rocce a maggiore profondità. Gli scienziati hanno pensato che le immagini sismiche mostrassero questa transizione "bagnato-secco", corrispondente al passaggio dalle placche tettoniche rigide al mantello deformabile sottostante. Però, i risultati del team suggeriscono che l'imaging sismico potrebbe rilevare segni di mancanza di acqua, ma piuttosto, melt - minuscole sacche di roccia fusa.

"Se vediamo variazioni molto forti [nelle velocità sismiche], è più probabile che si sciolgano, "dice Ulrich Faul, uno scienziato ricercatore nel Dipartimento della Terra del MIT, Atmosferico, e Scienze Planetarie. "Acqua, sulla base di questi esperimenti, non è più un attore importante in questo senso. Questo cambierà il modo in cui interpretiamo le immagini dell'interno della Terra".

I coautori di Faul sono l'autore principale Christopher Cline, insieme ad Emmanuel David, Andrea Berry, e Ian Jackson, dell'Università nazionale australiana.

Una svolta sismica

fallo, Cline, e i loro colleghi si erano inizialmente proposti di determinare esattamente come l'acqua influenza la velocità delle onde sismiche. presumevano, come hanno fatto la maggior parte dei ricercatori, che l'imaging sismico può "vedere" l'acqua, sotto forma di gruppi ossidrilici all'interno di singoli grani minerali nelle rocce, e come sacche d'acqua su scala molecolare intrappolate tra questi grani. Acqua, anche in piccole quantità, è noto per indebolire le rocce nelle profondità dell'interno della Terra.

"Si sapeva che l'acqua ha un forte effetto in quantità molto piccole sulle proprietà delle rocce, " Faul dice. "Da lì, la conclusione è stata che l'acqua influisce sostanzialmente anche sulla velocità delle onde sismiche".

Per misurare la misura in cui l'acqua influenza la velocità delle onde sismiche, il team ha prodotto diversi campioni di olivina, un minerale che costituisce la maggior parte del mantello superiore della Terra e ne determina le proprietà. Hanno intrappolato varie quantità di acqua all'interno di ciascun campione, e quindi collocare i campioni uno alla volta in una macchina progettata per torcere lentamente una roccia, simile a torcere un elastico. Gli esperimenti sono stati condotti in un forno ad alte pressioni e temperature, per simulare le condizioni nelle profondità della Terra.

"Ruotiamo il campione a un'estremità e misuriamo l'entità e il ritardo temporale della deformazione risultante all'altra estremità, " Faul dice. "Questo simula la propagazione delle onde sismiche attraverso la Terra. L'entità di questo ceppo è simile alla larghezza di un capello umano sottile - non molto facile da misurare a una pressione di 2, 000 volte la pressione atmosferica e una temperatura che si avvicina alla temperatura di fusione dell'acciaio."

Il team si aspettava di trovare una correlazione tra la quantità di acqua in un dato campione e la velocità con cui le onde sismiche si sarebbero propagate attraverso quel campione. Quando i campioni iniziali non hanno mostrato il comportamento previsto, i ricercatori hanno modificato la composizione e misurato di nuovo, ma continuavano a ottenere lo stesso risultato negativo. Alla fine divenne inevitabile che l'ipotesi originale fosse errata.

"Dalle nostre misurazioni [di torsione], le rocce si comportavano come se fossero asciutte, anche se potremmo analizzare chiaramente l'acqua lì dentro, " Faul dice. "A quel punto, sapevamo che l'acqua non fa differenza."

Una pietra, racchiuso

Un altro risultato inaspettato degli esperimenti è stato che la velocità delle onde sismiche sembrava dipendere dallo stato di ossidazione di una roccia. Tutte le rocce sulla Terra contengono determinate quantità di ferro, a vari stati di ossidazione, proprio come il ferro metallico su un'auto può arrugginire se esposto a una certa quantità di ossigeno. I ricercatori hanno scoperto, quasi involontariamente, che l'ossidazione del ferro nell'olivina influenza il modo in cui le onde sismiche viaggiano attraverso la roccia.

Cline e Faul sono giunti a questa conclusione dopo aver dovuto riconfigurare la loro configurazione sperimentale. Per condurre i loro esperimenti, il team in genere racchiude ogni campione di roccia in un cilindro fatto di nichel e ferro. Però, nel misurare il contenuto d'acqua di ogni campione in questo cilindro, hanno scoperto che gli atomi di idrogeno nell'acqua tendevano a fuoriuscire dalla roccia, attraverso l'involucro metallico. Per contenere idrogeno, hanno cambiato il loro involucro con uno in platino.

Con loro sorpresa hanno scoperto che il tipo di metallo che circonda i campioni ha influenzato le loro proprietà sismiche. Esperimenti separati hanno mostrato che ciò che in effetti è cambiato è stata la quantità di Fe3+ nell'olivina. Normalmente lo stato di ossidazione del ferro nell'olivina è 2+. Come risulta, la presenza di Fe3+ produce imperfezioni che influiscono sulla velocità delle onde sismiche.

Faul afferma che i risultati del gruppo suggeriscono che le onde sismiche possono essere utilizzate per mappare i livelli di ossidazione, come nelle zone di subduzione - regioni della Terra dove le placche oceaniche sprofondano nel mantello. Sulla base dei loro risultati, però, l'imaging sismico non può essere utilizzato per visualizzare la distribuzione dell'acqua all'interno della Terra. Ciò che alcuni scienziati hanno interpretato come acqua potrebbe in effetti essere fuso, un'intuizione che potrebbe cambiare la nostra comprensione di come la Terra sposta le sue placche tettoniche nel tempo.

"Una domanda di fondo è cosa lubrifica le placche tettoniche sulla Terra, " Faul dice. "Il nostro lavoro indica l'importanza di piccole quantità di fusione alla base delle placche tettoniche, piuttosto che un mantello umido sotto le piastre asciutte. Nel complesso questi risultati possono aiutare a illuminare il ciclo volatile tra l'interno e la superficie della Terra".