Nadie puede viajar al interior de la tierra para estudiar lo que allí sucede. Por lo tanto, los científicos deben hacer todo lo posible para replicar las condiciones del mundo real dentro del laboratorio.

"Estamos interesados ​​en procesos geofísicos a gran escala, como cómo se inicia la tectónica de placas y cómo las placas se mueven una debajo de la otra en las zonas de subducción, "dijo David Goldsby, profesor asociado de la Universidad de Pensilvania. "Para hacer eso, necesitamos entender el comportamiento mecánico del olivino, que es el mineral más común en el manto superior de la tierra ".

Goldsby, en equipo con Christopher A. Thom, estudiante de doctorado en Penn, así como investigadores de la Universidad de Stanford, la Universidad de Oxford y la Universidad de Delaware, ha resuelto ahora una cuestión de larga data en esta área de investigación. Si bien los experimentos de laboratorio anteriores dieron como resultado estimaciones muy dispares de la fuerza del olivino en el manto litosférico de la tierra, la parte relativamente fría y, por lo tanto, fuerte del manto superior de la Tierra, el nuevo trabajo, publicado en la revista Avances de la ciencia , resuelve las disparidades anteriores al encontrar que, cuanto menor sea el tamaño de grano del olivino que se está analizando, cuanto más fuerte es.

Debido a que el olivino en el manto terrestre tiene un tamaño de grano mayor que la mayoría de las muestras de olivino analizadas en laboratorios, los resultados sugieren que el manto, que comprende hasta el 95 por ciento de las placas tectónicas del planeta, es de hecho más débil de lo que se creía. Esta imagen más realista del interior puede ayudar a los investigadores a comprender cómo se forman las placas tectónicas, cómo se deforman cuando se cargan con el peso de, por ejemplo, una isla volcánica como Hawaii, o incluso cómo comienzan y se propagan los terremotos.

Durante más de 40 años, Los investigadores han intentado predecir la fuerza del olivino en el manto litosférico de la tierra a partir de los resultados de experimentos de laboratorio. Pero las pruebas en un laboratorio son muchas capas eliminadas de las condiciones dentro de la tierra, donde las presiones son más altas y las tasas de deformación son mucho más lentas que en el laboratorio. Otra complicación es que, a las temperaturas relativamente bajas de la litosfera terrestre, la resistencia del olivino es tan alta que es difícil medir su resistencia plástica sin fracturar la muestra. Los resultados de los experimentos existentes han variado ampliamente, y no se alinean con las predicciones de la fuerza del olivino a partir de modelos y observaciones geofísicas.

En un intento por resolver estas discrepancias, los investigadores emplearon una técnica conocida como nanoindentación, que se utiliza para medir la dureza de los materiales. En pocas palabras, los investigadores miden la dureza de un material, que se relaciona con su fuerza, aplicando una carga conocida a la punta de un penetrador de diamante en contacto con un mineral y luego midiendo cuánto se deforma el mineral. Si bien estudios anteriores han empleado varios aparatos de deformación a alta presión para mantener juntas las muestras y evitar que se fracturen, una configuración complicada que dificulta las mediciones de fuerza, la nanoindentación no requiere un aparato tan complejo.

"Con nanoindentación, "Goldsby dijo, "la muestra en efecto se convierte en su propio recipiente a presión. La presión hidrostática debajo de la punta del penetrador mantiene la muestra confinada cuando presiona la punta en la superficie de la muestra, permitir que la muestra se deforme plásticamente sin fracturarse, incluso a temperatura ambiente ".

Realizando 800 experimentos de nanoindentación en los que variaron el tamaño de la indentación variando la carga aplicada a la punta de diamante presionada en la muestra, el equipo de investigación descubrió que cuanto menor es el tamaño de la sangría, cuanto más difícil, y así más fuerte, olivino se convirtió.

"Este efecto de tamaño de la hendidura se ha observado en muchos otros materiales, pero creemos que es la primera vez que se muestra en un material geológico, "Dijo Goldsby.

Mirando hacia atrás en los datos de fuerza recopilados previamente para el olivino, los investigadores determinaron que las discrepancias en esos datos podrían explicarse invocando un efecto de tamaño relacionado, por lo que la fuerza del olivino aumenta con la disminución del tamaño de grano de las muestras analizadas. Cuando estos datos de resistencia previos se graficaron contra el tamaño de grano en cada estudio, todos los datos encajan en una tendencia suave que predice fortalezas menores de lo que se pensaba en el manto litosférico de la Tierra.

En un artículo relacionado de Thom, Goldsby y colegas, publicado recientemente en la revista Geophysical Research Letters, los investigadores examinaron los patrones de rugosidad en las fallas que han quedado expuestas en la superficie de la tierra debido a las placas levantadas y la erosión.

"Diferentes fallas tienen una rugosidad similar, y hay una idea publicada recientemente que dice que podría obtener esos patrones porque la resistencia de los materiales en la superficie de la falla aumenta con la escala decreciente de rugosidad, ", Dijo Thom." Esos patrones y el comportamiento de fricción que causan podrían decirnos algo sobre cómo se nuclean los terremotos y cómo se propagan ".

En el trabajo futuro, a los investigadores de Penn y su equipo les gustaría estudiar los efectos de la fuerza de tamaño en otros minerales y también centrarse en el efecto del aumento de la temperatura en los efectos de tamaño en el olivino.