Tra i geologi che studiano potenti terremoti e vulcani, c'è un mistero:mentre una delle placche tettoniche della Terra scivola sotto un'altra in una zona di subduzione, l'acqua viene spremuta da alcuni minerali, lubrificare i terremoti e alimentare i vulcani in punti caldi come l'"Anello di fuoco" dell'Oceano Pacifico. Ma le equazioni che predicono dove le forze di subduzione estorcono l'acqua dalla pietra indicano costantemente luoghi lontani dal luogo dei cataclismi reali.

Applicando una nuova tecnica di spettroscopia al granato contenente frammenti di quarzo, Il petrologo metamorfico Frank Spear del Rensselaer Polytechnic Institute pensa di aver risolto il puzzle. Le sue prime ricerche mostrano che le equazioni sono incomplete, manca la variabile significativa di "superamento, "l'energia aggiuntiva necessaria per avviare un processo, in questo caso, la decomposizione dei minerali acquiferi.

"Il vero colpevole di potenti vulcani e terremoti è l'acqua, ma gli scienziati non sono stati in grado di determinare da dove provenga quell'acqua, " disse Lancia, professore e capo del Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente di Rensselaer. "Le equazioni termodinamiche convenzionali prevedono che l'acqua viene rilasciata a una profondità troppo bassa per verificarsi nelle posizioni note di vulcani e terremoti. Ma quando si tiene conto del superamento che abbiamo scoperto, le posizioni coincidono. L'idea di oltrepassare è un enorme cambiamento di paradigma".

La sua ricerca è supportata da $ 419 triennali, 247 sovvenzione della National Science Foundation.

Quando una placca tettonica viene spinta sotto un'altra in una zona di subduzione, sedimenti e minerali sono trasportati in profondità nella Terra, con montaggio a pressione e temperatura con profondità crescente. All'inizio del processo, l'acqua liquida viene spremuta dagli spazi dei pori tra le rocce, ma molti minerali - come le miche, serpentine, e cloriti - contengono acqua come parte della loro struttura minerale. Clorito, Per esempio, contiene circa il 10% di acqua in peso. Quando i minerali che trasportano l'acqua alla fine soccombono all'aumento della temperatura e della pressione, rilasciano acqua.

L'acqua agisce come lubrificante nella zona di faglia creata tra due piastre, riducendo lo sforzo sulla faglia e permettendo alle piastre di scorrere l'una sull'altra, producendo un terremoto. Le zone di subduzione producono alcuni dei terremoti più grandi e distruttivi del mondo; il più grande terremoto di magnitudo mai registrato - un terremoto di magnitudo 9,5 nel 1960 vicino a Valdivia, Cile - si è verificato in una zona di subduzione. L'acqua agisce anche come flusso sulla roccia circostante, deprimendo la temperatura di fusione della roccia, che si scioglie in magma che sale in superficie ed erutta come un vulcano.

Nel punto in cui l'acqua viene rilasciata, crea indizi che Spear riconduce alla sua origine. Nuovi minerali si formano nella crosta in metamorfosi, compreso il granato, che è prodotto dalla scomposizione del clorito acquifero. Il granato si forma sotto pressione, e qualche volta, mentre lo fa, intrappola nella sua morsa frammenti di minerali circostanti, frammenti che conservano una traccia della pressione sotto la quale si è formato il granato. Lancia trovò tali granati, che si formava intorno a minuscoli frammenti di quarzo, su un'isola delle Cicladi greche.

Nel suo laboratorio, Spear e i suoi studenti hanno usato la spettroscopia Raman - comunemente usata in chimica per identificare la composizione molecolare di un campione - per esaminare il quarzo incorporato nel granato. Nella spettroscopia Raman, la luce laser viene proiettata su un campione, e l'energia dei fotoni viene spostata verso l'alto o verso il basso in base alle interazioni tra la luce e il campione. La differenza tra la frequenza della luce in uscita e quella di ritorno fornisce una firma strutturale definitiva.

Il quarzo a pressione ambiente produce una firma ben nota. Ma il picco della firma del quarzo nei campioni delle Cicladi è stato spostato a un valore più alto, indicando la pressione sul grano. Poiché lo spostamento del segnale Raman del quarzo è stato accuratamente calibrato, Spear è stato in grado di usarlo per determinare la pressione, e quindi la profondità e la temperatura, al che il granato si cristallizzava attorno al quarzo.

"Quello che abbiamo scoperto quando abbiamo fatto questo è che il granato non si forma alla profondità ridotta dove avevano previsto i calcoli termodinamici, ma molto più in basso, vicino all'origine dei vulcani e dei terremoti, " disse Lancia.

La scoperta indica anche che il granato non cristallizza all'equilibrio, così come la base dei calcoli termodinamici che prevedono tale processo. Quella, disse Lancia, "è stata una sorpresa totale." Mentre l'avvio della maggior parte dei processi richiede energia di attivazione - o superamento - in una certa misura, i ricercatori hanno sempre pensato che l'energia di attivazione per avviare la nucleazione del granato sarebbe stata banale. Ma i risultati suggeriscono un significativo superamento di 50-70 gradi Celsius.

La ricerca iniziale, pubblicato in una serie di articoli a partire dal 2014, si basava su tre campioni provenienti da un singolo sito a Sifnos. Il nuovo finanziamento sosterrà un'indagine più ampia utilizzando da 10 a 20 campioni prelevati da cinque località separate, per determinare se i risultati fossero "una stranezza, o una verità universale." Spear sta anche lavorando allo sviluppo di calcoli - e un nuovo "metodo della forza motrice massima" - che incorporerà il superamento osservato per produrre previsioni più accurate.

La ricerca di Spear soddisfa Il Nuovo Politecnico, un paradigma emergente per l'istruzione superiore che riconosce che le sfide e le opportunità globali sono così grandi che non possono essere adeguatamente affrontate nemmeno dalla persona più talentuosa che lavora da sola. Rensselaer funge da crocevia per la collaborazione, lavorando con partner di diverse discipline, settori, e regioni geografiche, per affrontare sfide globali complesse, utilizzando gli strumenti e le tecnologie più avanzate, molti dei quali sono sviluppati a Rensselaer. La ricerca a Rensselaer affronta alcune delle sfide tecnologiche più urgenti del mondo, dalla sicurezza energetica e lo sviluppo sostenibile alla biotecnologia e alla salute umana. Il Nuovo Politecnico trasforma l'impatto globale della ricerca, nella sua pedagogia innovativa, e nella vita degli studenti di Rensselaer.