Niemand kan in de aarde reizen om te bestuderen wat daar gebeurt. Wetenschappers moeten dus hun best doen om de omstandigheden in de echte wereld in het laboratorium na te bootsen.

"We zijn geïnteresseerd in grootschalige geofysische processen, zoals hoe platentektoniek begint en hoe platen onder elkaar bewegen in subductiezones, " zei David Goldsby, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Pennsylvania. "Om dat te doen, we moeten het mechanische gedrag van olivijn begrijpen, dat is het meest voorkomende mineraal in de bovenste mantel van de aarde."

Goudsby, samen te werken met Christopher A. Thom, een doctoraatsstudent aan Penn, evenals onderzoekers van Stanford University, de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Delaware, heeft nu een al lang bestaande vraag op dit onderzoeksgebied opgelost. Terwijl eerdere laboratoriumexperimenten resulteerden in sterk uiteenlopende schattingen van de sterkte van olivijn in de lithosferische aardmantel, het relatief koude en daarom sterke deel van de bovenste aardmantel, het nieuwe werk, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , lost de eerdere verschillen op door te vinden dat, hoe kleiner de korrelgrootte van het te testen olivijn, hoe sterker het is.

Omdat olivijn in de aardmantel een grotere korrelgrootte heeft dan de meeste olivijnmonsters die in laboratoria zijn getest, de resultaten suggereren dat de mantel, die tot 95 procent van de tektonische platen van de planeet omvat, is in feite zwakker dan ooit werd gedacht. Dit meer realistische beeld van het interieur kan onderzoekers helpen begrijpen hoe tektonische platen worden gevormd, hoe ze vervormen wanneer ze worden belast met het gewicht van, bijvoorbeeld, een vulkanisch eiland zoals Hawaï, of zelfs hoe aardbevingen beginnen en zich voortplanten.

Al meer dan 40 jaar, onderzoekers hebben geprobeerd de sterkte van olivijn in de lithosferische mantel van de aarde te voorspellen op basis van de resultaten van laboratoriumexperimenten. Maar bij tests in een laboratorium zijn veel lagen verwijderd van de omstandigheden in de aarde, waar de druk hoger is en de vervormingssnelheden veel langzamer zijn dan in het laboratorium. Een verdere complicatie is dat, bij de relatief lage temperaturen van de aardse lithosfeer, de sterkte van olivijn is zo hoog dat het moeilijk is om de plastische sterkte te meten zonder het monster te breken. De resultaten van bestaande experimenten lopen sterk uiteen, en ze komen niet overeen met voorspellingen van olivijnsterkte van geofysische modellen en observaties.

In een poging om deze discrepanties op te lossen, de onderzoekers gebruikten een techniek die bekend staat als nano-indentatie, die wordt gebruikt om de hardheid van materialen te meten. Simpel gezegd, de onderzoekers meten de hardheid van een materiaal, die verband houdt met zijn kracht, door een bekende belasting uit te oefenen op een diamanten indenterpunt in contact met een mineraal en vervolgens te meten hoeveel het mineraal vervormt. Terwijl eerdere studies verschillende hogedrukvervormingsapparaten hebben gebruikt om monsters bij elkaar te houden en te voorkomen dat ze breken, een ingewikkelde opstelling die het meten van kracht uitdagend maakt, nanoindentation vereist niet zo'n complex apparaat.

"Met nano-inspringing, "Goldsby zei, "het monster wordt in feite zijn eigen drukvat. De hydrostatische druk onder de indentertip houdt het monster opgesloten wanneer u de punt in het oppervlak van het monster drukt, waardoor het monster plastisch kan vervormen zonder breuk, zelfs bij kamertemperatuur."

800 nano-indentatie-experimenten uitvoeren waarin ze de grootte van de inkeping varieerden door de belasting te variëren die werd uitgeoefend op de diamantpunt die in het monster werd gedrukt, het onderzoeksteam ontdekte dat hoe kleiner de inspringing, de Harder, en dus sterker, olivijn werd.

"Dit effect van de indrukgrootte was in veel andere materialen waargenomen, maar we denken dat dit de eerste keer is dat het is aangetoond in een geologisch materiaal, ' zei Goldsby.

Terugkijkend op eerder verzamelde sterktegegevens voor olivijn, de onderzoekers stelden vast dat de discrepanties in die gegevens konden worden verklaard door een gerelateerd grootte-effect op te roepen, waarbij de sterkte van olivijn toeneemt met afnemende korrelgrootte van de geteste monsters. Toen deze eerdere sterktegegevens in elk onderzoek werden uitgezet tegen de korrelgrootte, alle gegevens passen op een vloeiende trend die lager dan gedacht sterke punten voorspelt in de lithosferische mantel van de aarde.

In een gerelateerd artikel van Thom, Goldsby en collega's, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geophysical Research Letters, de onderzoekers onderzochten patronen van ruwheid in breuken die aan het aardoppervlak zijn blootgelegd door opgetilde platen en erosie.

"Verschillende fouten hebben een vergelijkbare ruwheid, en er is onlangs een idee gepubliceerd dat zegt dat je die patronen zou kunnen krijgen omdat de sterkte van de materialen op het breukvlak toeneemt met de afnemende schaal van ruwheid, Thom zei. "Die patronen en het wrijvingsgedrag dat ze veroorzaken, kunnen ons misschien iets vertellen over hoe aardbevingen kiemen en hoe ze zich voortplanten."

Bij toekomstig werk, de Penn-onderzoekers en hun team willen de grootte-sterkte-effecten in andere mineralen bestuderen en ook focussen op het effect van temperatuurverhoging op grootte-effecten in olivijn.