Onder geologen die krachtige aardbevingen en vulkanen bestuderen, er is een mysterie:als een van de aardse tektonische platen onder een andere schuift in een subductiezone, water wordt geperst uit bepaalde mineralen, aardbevingen smeren en vulkanen van brandstof voorzien op hete plekken zoals de "Ring of Fire" in de Stille Oceaan. Maar vergelijkingen die voorspellen waar de krachten van subductie water uit steen wringen, wijzen consequent naar locaties ver van de plaats van werkelijke rampen.

Door een nieuwe spectroscopietechniek toe te passen op granaat met kwartsfragmenten, metamorfe petroloog Frank Spear van het Rensselaer Polytechnic Institute denkt de puzzel te hebben opgelost. Zijn vroege onderzoek toont aan dat de vergelijkingen onvolledig zijn, ontbreekt de significante variabele van "overschrijding, " de extra energie die nodig is om een ​​proces op gang te brengen, in dit geval, de afbraak van waterhoudende mineralen.

"De echte boosdoener bij krachtige vulkanen en aardbevingen is water, maar wetenschappers hebben niet kunnen bepalen waar dat water vandaan komt, " zei Speer, een professor en hoofd van het Rensselaer Departement Aard- en Milieuwetenschappen. "Conventionele thermodynamische vergelijkingen voorspellen dat water vrijkomt op een te ondiepe diepte om te voorkomen op de bekende locaties van vulkanen en aardbevingen. Maar als je rekening houdt met de overschrijding die we hebben ontdekt, de locaties vallen samen. Het idee van overschrijding is een enorme paradigmaverschuiving."

Zijn onderzoek wordt ondersteund door een driejarige $ 419, 247 subsidie ​​van de National Science Foundation.

Als een tektonische plaat onder een andere wordt geduwd in een subductiezone, sedimenten en mineralen worden diep de aarde in gedragen, met druk- en temperatuurmontage met toenemende diepte. Vroeg in het proces wordt vloeibaar water uit de poriën tussen rotsen geperst, maar veel mineralen - zoals mica's, serpentijnen, en chlorieten - bevatten water als onderdeel van hun minerale structuur. Chloriet, bijvoorbeeld, bevat ongeveer 10 gewichtsprocent water. Wanneer waterhoudende mineralen uiteindelijk bezwijken voor verhoogde temperatuur en druk, ze geven water af.

Het water werkt als een smeermiddel in de breukzone tussen twee platen, de druk op de fout verminderen en de platen langs elkaar laten glijden, aardbeving veroorzaken. Subductiezones produceren enkele van 's werelds grootste en meest destructieve aardbevingen; de grootste aardbeving ooit gemeten - een aardbeving van 9,5 op de schaal van Richter in 1960 in de buurt van Valdivia, Chili - vond plaats in een subductiezone. Het water werkt ook als een flux op de omringende rots, het verlagen van de smelttemperatuur van gesteente, dat smelt tot magma dat naar de oppervlakte stijgt en als een vulkaan uitbarst.

Op het punt waar het water vrijkomt, het creëert aanwijzingen dat Spear terugging naar zijn oorsprong. Nieuwe mineralen vormen zich in de metamorfoserende korst, inclusief granaat, die wordt geproduceerd door de afbraak van waterhoudend chloriet. De granaat vormt zich onder druk, en soms, zoals het dat doet, het vangt fragmenten van omringende mineralen in zijn greep, fragmenten die een record behouden van de druk waaronder de granaat is gevormd. Spear vond zulke granaten, die zich vormden rond kleine fragmenten van kwarts, op een eiland in de Griekse Cycladen.

In zijn laboratorium, Spear en zijn afgestudeerde studenten gebruikten Raman-spectroscopie - vaak gebruikt in de chemie om de moleculaire samenstelling van een monster te identificeren - om het kwarts te onderzoeken dat in de granaat is ingebed. Bij Raman-spectroscopie, laserlicht wordt op een monster geschenen, en de energie van de fotonen wordt omhoog of omlaag verschoven op basis van de interacties tussen het licht en het monster. Het verschil tussen de frequentie van het uitgaande en terugkerende licht zorgt voor een definitieve structuursignatuur.

Kwarts bij omgevingsdruk produceert een bekende signatuur. Maar de piek van de signatuur van het kwarts in de Cycladen-monsters was verschoven naar een hogere waarde, geeft de druk op het graan aan. Omdat de Raman-signaalverschuiving van kwarts zorgvuldig is gekalibreerd, Spear kon het gebruiken om de druk te bepalen, en dus de diepte en temperatuur, waarbij de granaat rond het kwarts kristalliseerde.

"Wat we ontdekten toen we dit deden, is dat de granaat zich niet vormt op de ondiepe diepte waar de thermodynamische berekeningen voorspelden, maar veel dieper, nabij de oorsprong van vulkanen en aardbevingen, ' zei Speer.

De bevinding geeft ook aan dat de granaat niet kristalliseert bij evenwicht, net als de basis van thermodynamische berekeningen die dat proces voorspellen. Dat, zei Speer, "was een totale verrassing." Hoewel het initiëren van de meeste processen tot op zekere hoogte activeringsenergie vereist - of overstappen -, onderzoekers gingen er altijd van uit dat de activeringsenergie om kiemvorming van granaat te initiëren triviaal zou zijn. Maar de resultaten suggereren een significante overschrijding van 50 tot 70 graden Celsius.

Het eerste onderzoek, gepubliceerd in een reeks artikelen die in 2014 begonnen, was gebaseerd op drie monsters van een enkele site op Sifnos. De nieuwe financiering zal een breder onderzoek ondersteunen met 10 tot 20 monsters genomen op vijf verschillende locaties, om te bepalen of de bevindingen "een gril, of een universele waarheid." Spear werkt ook aan het ontwikkelen van berekeningen - en een nieuwe "maximale drijvende krachtmethode" - die waargenomen overschrijding zal opnemen om nauwkeurigere voorspellingen te leveren.

Spear's onderzoek vervult The New Polytechnic, een opkomend paradigma voor hoger onderwijs dat erkent dat mondiale uitdagingen en kansen zo groot zijn dat ze niet adequaat kunnen worden aangepakt door zelfs de meest getalenteerde persoon die alleen werkt. Rensselaer fungeert als een kruispunt voor samenwerking:door samen te werken met partners uit verschillende disciplines, sectoren, en geografische regio's - om complexe mondiale uitdagingen aan te pakken, met behulp van de meest geavanceerde tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld. Onderzoek bij Rensselaer richt zich op enkele van 's werelds meest urgente technologische uitdagingen - van energiezekerheid en duurzame ontwikkeling tot biotechnologie en menselijke gezondheid. The New Polytechnic is transformatief in de wereldwijde impact van onderzoek, in zijn innovatieve pedagogiek, en in het leven van de studenten van Rensselaer.