Deze mysterieuze aardbevingen ontstaan ​​tussen 400 en 700 kilometer onder het aardoppervlak en zijn geregistreerd met magnitudes tot 8,3 op de schaal van Richter.

Xanthippi Markenscoff, een vooraanstaande professor in de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, is de persoon die dit mysterie heeft opgelost. Haar paper "Volume ineenstorting instabiliteiten in diepe aardbevingen:een afschuifbron genucleëerd en aangedreven door druk" verschijnt in de Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

De term deep-focus aardbeving verwijst naar het feit dat dit type aardbeving diep in de aardmantel ontstaat, waar de drukkrachten erg hoog zijn. Sinds de eerste aardbevingen met diepe focus in 1929 werden vastgesteld, onderzoekers hadden geprobeerd te begrijpen welke processen ze veroorzaken. Onderzoekers dachten dat de hoge druk een implosie zou veroorzaken die intuïtief drukgolven zou produceren. Echter, ze waren niet in staat geweest om de punten te verbinden tussen de hoge druk en het specifieke soort seismische golven - shear (of vervormings) seismische golven genoemd - geproduceerd door aardbevingen met diepe focus. (Je kunt vervormingsenergie voelen als je je onderarm vasthoudt en dan draait.)

In haar nieuwe krant Markenscoff voltooit haar uitleg van dit mysterie dat optreedt onder ultrahoge druk. Begin 2019 ontrafeld ze het mysterie in een reeks papieren. haar oplossing geeft inzicht in vele andere fenomenen zoals planetaire inslagen en planetaire vorming die vergelijkbare geofysische processen delen.

"Dit is een perfect voorbeeld van hoe diepgaande wiskundige modellering die rigoureus geworteld is in mechanica en natuurkunde ons kan helpen mysteries in de natuur op te lossen. Het werk van professor Markenscoff kan een diepgaande invloed hebben, niet alleen op hoe we diepe aardbevingen begrijpen, maar ook over hoe we op een beheersbare manier dynamische fasetransformaties in technische materialen in ons voordeel kunnen gebruiken, " zei Huajian Gao, een Distinguished University Professor aan de Nanyang Technological University in Singapore en de redacteur van de Journal of the Mechanics and Physics of Solids waar het artikel van Markenscoff verschijnt.

Van gesteente transformeren tot aardbeving

Het is algemeen bekend dat de hoge druk tussen 400 en 700 kilometer onder het aardoppervlak ervoor kan zorgen dat olivijn gesteente een fasetransformatie ondergaat in een dichter type gesteente dat spinel wordt genoemd. Dit is analoog aan hoe steenkool kan veranderen in diamant, wat ook diep in de aardmantel gebeurt.

De overgang van olivijn naar een dichtere spinel leidt tot vermindering van het volume van gesteente omdat atomen onder grote druk dichter bij elkaar komen. Dit kan "volume ineenstorting" worden genoemd. Deze ineenstorting van het volume en de bijbehorende "transformationele breuk" wordt beschouwd als de belangrijkste oorzaak voor aardbevingen met een diepe focus. Echter, tot nu, er was geen model gebaseerd op volume-instorting dat de afschuiving (vervormde) seismische golven voorspelde die daadwerkelijk op het aardoppervlak aankomen tijdens diepe aardbevingen. Om deze reden werden ook andere modellen overwogen, en de stand van zaken bleef stagneren.

Markenscoff heeft dit mysterie nu opgelost met behulp van fundamentele wiskundige fysica en mechanica door instabiliteiten te ontdekken die optreden bij zeer hoge drukken. De ene instabiliteit betreft de vorm van het zich uitbreidende gebied van transformerend gesteente en de andere instabiliteit betreft de groei ervan.

Voor de zich uitbreidende gebieden van deze fasetransformatie van olivijn naar spinel om groot te worden, deze transformerende gebieden met grote verdichting zullen een afgeplatte "pannenkoekachtige" vorm aannemen die de energie minimaliseert die nodig is voor het verdichte gebied om zich voort te planten in het niet-getransformeerde medium als het groot wordt. Dit is een symmetriebrekingsmodus die kan optreden onder de zeer hoge druk die bestaat waar diepe aardbevingen ontstaan, en het is deze symmetriebreking die de schuifvervorming veroorzaakt die verantwoordelijk is voor de schuifgolven die het aardoppervlak bereiken. Eerder, onderzoekers gingen uit van symmetrie-behoudende sferische expansie, die niet zouden resulteren in de afschuif seismische golven. Ze wisten niet dat de symmetrie mocht worden verbroken.

"Door de sferische symmetrie van de vorm van het transformerende gesteente te doorbreken, wordt de energie geminimaliseerd die nodig is om het voortplantingsgebied van fasetransformatie groot te laten worden, "zei Markenscoff. "Je besteedt geen energie aan het verplaatsen van het oppervlak van een grote bol, maar alleen de omtrek."

In aanvulling, Markenscoff legde uit dat binnen het uitdijende gebied van fasetransformatie van gesteente, er is geen deeltjesbeweging en geen kinetische energie (het is een "lacune"), en, dus, de energie die uitstraalt wordt gemaximaliseerd. Dit verklaart waarom de seismische golven naar de oppervlakte kunnen komen, in plaats van dat veel van de energie in het binnenste van de aarde verdwijnt.

Het analytische model van Markenscoff voor de vervormingsvelden van de uitdijende seismische bron is gebaseerd op de dynamische generalisatie van de baanbrekende Eshelby (1957) inclusie die voldoet aan de lacune-stelling (Atiya et al, 1970). De energie van het uitdijende gebied van fasetransformatie wordt bepaald door Noether's (1918) theorema van theoretische fysica waarmee ze de instabiliteiten heeft verkregen die een groeiende en snel bewegende lawine van instortend volume onder druk creëren. Dit is de tweede ontdekte instabiliteit (met betrekking tot groei):zodra een willekeurig klein verdicht, afgeplat gebied is geactiveerd, onder een kritische druk zal het blijven groeien zonder dat er meer energie nodig is. (Het blijft maar instorten "als een kaartenhuis".) het mysterie is opgelost:hoewel het een afschuifbron is, wat de voortplanting van aardbevingen met diepe focus drijft, is de druk die op de volumeverandering inwerkt.

Toen hem werd gevraagd na te denken over haar ontdekking dat aardbevingen met een diepe focus konden worden beschreven met de stellingen die de basis vormen van de wiskundige fysica, ze zei, "Ik heb het gevoel dat ik verbonden ben met de natuur. Ik heb de schoonheid ontdekt van hoe de natuur werkt. Het is de eerste keer in mijn leven. Voordat ik een stapje op andermans voetstappen zette. Ik voelde deze immense vreugde."

Relevante ontdekking

De deep-focus aardbevingen zijn slechts een van de fenomenen waarin deze instabiliteiten zich manifesteren. Ze komen ook voor bij andere verschijnselen van dynamische fasetransformaties onder hoge druk, zoals planetaire inslagen en amorfisatie. Vandaag, er zijn nieuwe experimentele faciliteiten, zoals de National Ignition Facility (NIF) die wordt beheerd door het Lawrence Liver National Laboratory, waar onderzoekers onder extreem hoge druk materialen kunnen bestuderen die voorheen onmogelijk te testen waren.

Het nieuwe werk van Markenscoff biedt een belangrijke demonstratie en herinnert eraan dat voor een dieper begrip van de mysteries van de natuur vaak de inzichten nodig zijn die kunnen worden verkregen door gebruik te maken van de fundamenten van de wiskundige fysica in combinatie met experimenteel onderzoek onder extreme omstandigheden.

In feite, Markenscoff was in 2016 en 2019 mede-organisator van twee door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde workshops aan UC San Diego, die geofysici en seismologen samenbrachten met monteurs om ervoor te zorgen dat deze onderzoeksgemeenschappen op de hoogte blijven van de methodologieën en technieken die in de mechanica zijn ontwikkeld.

"Onze onderwijssystemen moeten blijven investeren in het onderwijzen van de fundamenten van de wetenschap als de pijlers voor de vooruitgang van kennis, die kan worden bereikt door interdisciplinaire convergentie van theorie, experimenten en datawetenschap, ’ zei Markenscoff.

Ze wees ook op het belang van de onderzoeksondersteuning die ze in de loop der jaren heeft gekregen van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF).

"Wetend dat mijn NSF-programmamanager geloofde dat het mogelijk was om dit 'mysterie' op te lossen en mij financierde, versterkte zowel mijn vertrouwen als mijn vastberadenheid om door te zetten", zei Markenscoff. "Ik wijs dit erop als een herinnering voor ons allemaal. Het is ook van cruciaal belang dat we onze studenten en collega's doordacht en weloverwogen aanmoedigen. Weten dat mensen die je respecteert in jou en je werk geloven, kan heel krachtig zijn."