Questi misteriosi terremoti hanno origine tra 400 e 700 chilometri sotto la superficie terrestre e sono stati registrati con magnitudo fino a 8,3 della scala Richter.

Xanthippi Markenscoff, un illustre professore nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego, è la persona che ha risolto questo mistero. Il suo articolo "Le instabilità del collasso del volume nei terremoti profondi:una sorgente di taglio nucleata e guidata dalla pressione" appare nel Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Il termine terremoto a fuoco profondo si riferisce al fatto che questo tipo di terremoto ha origine in profondità nel mantello terrestre dove le forze di pressione sono molto elevate. Poiché i terremoti profondi sono stati identificati per la prima volta nel 1929, i ricercatori hanno cercato di capire quali processi li causano. I ricercatori pensavano che le alte pressioni avrebbero prodotto un'implosione che avrebbe prodotto intuitivamente onde di pressione. Però, non erano stati in grado di collegare i punti tra l'alta pressione e il tipo specifico di onde sismiche - chiamate onde sismiche di taglio (o distorsive) - prodotte da terremoti a fuoco profondo. (Puoi sentire energia distorsiva se tieni l'avambraccio e poi lo ruoti.)

Nel suo nuovo giornale, Markenscoff completa la sua spiegazione di questo mistero che si verifica sotto pressioni ultra-alte. Ha svelato il mistero in una serie di documenti a partire dal 2019. Inoltre, la sua soluzione fornisce informazioni su molti altri fenomeni come gli impatti planetari e la formazione planetaria che condividono processi geofisici simili.

"Questo è un perfetto esempio di come la modellazione matematica profonda, rigorosamente radicata nella meccanica e nella fisica, possa aiutarci a risolvere i misteri della natura. Il lavoro del professor Markenscoff può avere un profondo impatto non solo sul modo in cui comprendiamo i terremoti a fuoco profondo, ma anche su come potremmo utilizzare in modo controllabile le trasformazioni di fase dinamiche nei materiali di ingegneria a nostro vantaggio, " disse Huajian Gao, un illustre professore universitario presso la Nanyang Technological University di Singapore e l'editore del Journal of the Mechanics and Physics of Solids dove appare l'articolo di Markenscoff.

Dalla trasformazione della roccia al terremoto

È stato ben riconosciuto che le alte pressioni che esistono tra 400 e 700 chilometri sotto la superficie della terra possono far sì che la roccia olivina subisca una trasformazione di fase in un tipo di roccia più denso chiamato spinello. Questo è analogo a come il carbone può trasformarsi in diamante, che accade anche in profondità nel mantello terrestre.

Passare dall'olivina allo spinello più denso porta a riduzioni di volume della roccia man mano che gli atomi si avvicinano l'uno all'altro sotto una grande pressione. Questo può essere chiamato "collasso del volume". Questo crollo del volume e la "faglia trasformativa" associata è stata considerata la causa predominante dei terremoti di profondità. Però, fino ad ora, non esisteva un modello basato sul collasso del volume che prevedesse le onde sismiche di taglio (distorsive) che in realtà arrivano alla superficie terrestre durante i terremoti a fuoco profondo. Per questo motivo sono stati presi in considerazione anche altri modelli, e lo stato delle cose è rimasto stagnante.

Markenscoff ha ora risolto questo mistero utilizzando la fisica e la meccanica matematiche fondamentali scoprendo instabilità che si verificano a pressioni molto elevate. Un'instabilità riguarda la forma della regione in espansione della roccia trasformante e l'altra instabilità riguarda la sua crescita.

Affinché le regioni in espansione di questa fase di trasformazione da olivina a spinello diventino grandi, queste regioni di trasformazione con grande densificazione assumeranno una forma appiattita "a frittella" che riduce al minimo l'energia necessaria affinché la regione densificata si propaghi nel mezzo non trasformato man mano che cresce. Questa è una modalità di rottura della simmetria che può verificarsi sotto le pressioni molto elevate che esistono dove hanno origine i terremoti a fuoco profondo, ed è questa rottura di simmetria che crea la deformazione di taglio responsabile delle onde di taglio che raggiungono la superficie terrestre. In precedenza, i ricercatori hanno ipotizzato un'espansione sferica che preserva la simmetria, che non risulterebbe nelle onde sismiche di taglio. Non sapevano che sarebbe stato permesso rompere la simmetria.

"La rottura della simmetria sferica della forma della roccia trasformante riduce al minimo l'energia necessaria affinché la regione di trasformazione di fase in propagazione diventi grande, " disse Markenscoff. "Non si spende energia per spostare la superficie di una grande sfera, ma solo il perimetro."

Inoltre, Markenscoff ha spiegato che all'interno della regione in espansione di trasformazione di fase della roccia, non c'è movimento delle particelle e nessuna energia cinetica (è una "lacuna"), e, così, l'energia che si irradia è massimizzata. Questo spiega perché le onde sismiche possono arrivare in superficie, piuttosto che gran parte dell'energia che si dissipa all'interno della Terra.

Il modello analitico di Markenscoff per i campi di deformazione della sorgente sismica in espansione si basa sulla generalizzazione dinamica dell'inclusione seminale di Eshelby (1957) che soddisfa il teorema della lacuna (Atiya et al, 1970). L'energia della regione in espansione della trasformazione di fase è governata dal teorema di fisica teorica di Noether (1918) attraverso il quale ha ottenuto le instabilità che creano una valanga crescente e in rapido movimento di volume in collasso sotto pressione. Questa è la seconda instabilità scoperta (riguardo alla crescita):una volta innescata una regione appiattita densificata arbitrariamente piccola, sotto una pressione critica continuerà a crescere senza bisogno di ulteriore energia. (Continua a crollare "come un castello di carte".) Quindi, il mistero è risolto:sebbene sia una sorgente di taglio, ciò che guida la propagazione del terremoto in profondità è la pressione che agisce sulla variazione di volume.

Quando le è stato chiesto di riflettere sulla sua scoperta che i terremoti profondi potrebbero essere descritti con i teoremi che sono la base della fisica matematica, lei disse, "Mi sento come se fossi legato alla natura. Ho scoperto la bellezza di come funziona la natura. È la prima volta nella mia vita. Prima che fosse mettere un piccolo passo sui passi di qualcun altro. Ho sentito questa gioia immensa."

Scoperta rilevante

I terremoti a fuoco profondo sono solo uno dei fenomeni in cui si manifestano queste instabilità. Si verificano anche in altri fenomeni di trasformazioni di fase dinamiche sotto alte pressioni, come impatti planetari e amorfizzazione. Oggi, ci sono nuove strutture sperimentali come la National Ignition Facility (NIF) gestita dal Lawrence Liver National Laboratory in cui i ricercatori sono in grado di studiare materiali a pressioni estremamente elevate che prima erano impossibili da testare.

Il nuovo lavoro di Markenscoff fornisce un'importante dimostrazione e promemoria che ottenere una comprensione più profonda dei misteri della natura spesso richiede le intuizioni che possono essere acquisite sfruttando i fondamenti della fisica matematica insieme alla ricerca sperimentale svolta in condizioni estreme.

Infatti, Markenscoff ha co-organizzato due workshop finanziati dalla National Science Foundation (NSF) presso l'UC San Diego nel 2016 e nel 2019 che hanno riunito geofisici e sismologi con meccanici per garantire che queste comunità di ricerca rimangano consapevoli delle metodologie e delle tecniche sviluppate in meccanica.

"I nostri sistemi educativi dovrebbero continuare a investire nell'insegnamento dei fondamenti della scienza come pilastri per il progresso della conoscenza, che può essere raggiunto dalla convergenza interdisciplinare della teoria, esperimenti e scienza dei dati, " disse Markenscoff.

Ha anche notato l'importanza del sostegno alla ricerca che ha ricevuto nel corso degli anni dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti.

"Sapendo che il mio responsabile del programma NSF credeva che fosse possibile risolvere questo 'mistero' e mi ha finanziato, rafforzato sia la mia fiducia che la mia determinazione a perseverare", disse Markenscoff. "Lo segnalo come un promemoria per tutti noi. È anche fondamentale dare un incoraggiamento ponderato e ponderato ai nostri studenti e colleghi. Sapere che le persone che rispetti credono in te e nel tuo lavoro può essere molto potente".