Entre los geólogos que estudian los poderosos terremotos y volcanes, hay un misterio:cuando una de las placas tectónicas de la Tierra se desliza debajo de otra en una zona de subducción, el agua se extrae de ciertos minerales, lubricar terremotos y alimentar volcanes en puntos calientes como el "Anillo de fuego" del Océano Pacífico. Pero las ecuaciones que predicen dónde las fuerzas de subducción extraen el agua de la piedra apuntan constantemente a lugares alejados del lugar de los cataclismos reales.

Al aplicar una nueva técnica de espectroscopia al granate que contiene fragmentos de cuarzo, El petrólogo metamórfico Frank Spear del Instituto Politécnico Rensselaer cree que ha resuelto el rompecabezas. Sus primeras investigaciones muestran que las ecuaciones están incompletas, que carece de la variable significativa de "sobrepasar, "la energía adicional necesaria para iniciar un proceso, en este caso, la descomposición de minerales que contienen agua.

"El verdadero culpable de los poderosos volcanes y terremotos es el agua, pero los científicos no han podido determinar de dónde viene esa agua, "dijo Spear, profesor y director del Departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de Rensselaer. "Las ecuaciones termodinámicas convencionales predicen que el agua se libera a una profundidad demasiado baja para que ocurra en las ubicaciones conocidas de volcanes y terremotos. Pero cuando se tiene en cuenta el traspaso que hemos descubierto, las ubicaciones coinciden. La idea de sobrepasar es un enorme cambio de paradigma ".

Su investigación está respaldada por $ 419 a tres años, Beca 247 de la National Science Foundation.

Cuando una placa tectónica se empuja debajo de otra en una zona de subducción, los sedimentos y los minerales se introducen profundamente en la Tierra, con montaje de presión y temperatura con profundidad creciente. Al principio del proceso, el agua líquida se exprime de los espacios porosos entre las rocas, pero muchos minerales, como las micas, serpentinas y cloritos:contienen agua como parte de su estructura mineral. Clorita, por ejemplo, contiene aproximadamente un 10 por ciento de agua en peso. Cuando los minerales que contienen agua finalmente sucumben al aumento de temperatura y presión, liberan agua.

El agua actúa como lubricante en la zona de falla creada entre dos placas, reduciendo la tensión en la falla y permitiendo que las placas se deslicen una sobre la otra, produciendo un terremoto. Las zonas de subducción producen algunos de los terremotos más grandes y destructivos del mundo; el terremoto de mayor magnitud registrado hasta ahora:un terremoto de magnitud 9,5 en 1960 cerca de Valdivia, Chile - ocurrió en una zona de subducción. El agua también actúa como un flujo en la roca circundante, deprimiendo la temperatura de fusión de la roca, que se funde en magma que sube a la superficie y entra en erupción como un volcán.

En el punto en el que se libera el agua, crea pistas que Spear rastrea hasta su origen. Se forman nuevos minerales en la corteza que se metamorfosea, incluido el granate, que se produce por la descomposición del clorito que contiene agua. El granate se forma bajo presión, y aveces, mientras lo hace, atrapa fragmentos de minerales circundantes en su agarre, fragmentos que conservan un registro de la presión bajo la que se formó el granate. Spear encontró tales granates, que se formó alrededor de pequeños fragmentos de cuarzo, en una isla de las Cícladas griegas.

En su laboratorio, Spear y sus estudiantes graduados utilizaron la espectroscopía Raman, comúnmente utilizada en química para identificar la composición molecular de una muestra, para examinar el cuarzo incrustado en el granate. En espectroscopía Raman, se ilumina una muestra con luz láser, y la energía de los fotones se desplaza hacia arriba o hacia abajo en función de las interacciones entre la luz y la muestra. La diferencia entre la frecuencia de la luz de salida y la de retorno proporciona una firma de estructura definitiva.

El cuarzo a presión ambiente produce una firma bien conocida. Pero el pico de la firma del cuarzo en las muestras de Cyclades se cambió a un valor más alto, indicando la presión sobre el grano. Debido a que el desplazamiento de la señal Raman del cuarzo se ha calibrado cuidadosamente, Spear pudo usarlo para determinar la presión, y por tanto la profundidad y la temperatura, en el que el granate cristalizó alrededor del cuarzo.

"Lo que descubrimos cuando hicimos esto es que el granate no se forma en la profundidad poco profunda donde predijeron los cálculos termodinámicos, pero mucho mas abajo cerca del origen de volcanes y terremotos, "dijo Spear.

El hallazgo también indica que el granate no cristaliza en equilibrio, como es la base de los cálculos termodinámicos que predicen ese proceso. Ese, dijo Spear, "Fue una sorpresa total". Si bien el inicio de la mayoría de los procesos requiere energía de activación, o sobrepasar, hasta cierto punto, Los investigadores siempre asumieron que la energía de activación para iniciar la nucleación del granate sería trivial. Pero los resultados sugieren un traspaso significativo de 50 a 70 grados Celsius.

La investigación inicial, publicado en una serie de artículos a partir de 2014, se basó en tres muestras de un solo sitio en Sifnos. La nueva financiación apoyará una investigación más amplia utilizando de 10 a 20 muestras tomadas de cinco ubicaciones distintas, para determinar si los hallazgos fueron "una rareza, o una verdad universal ". Spear también está trabajando en el desarrollo de cálculos - y un nuevo" método de fuerza motriz máxima "- que incorporará el sobrepaso observado para producir predicciones más precisas.

La investigación de Spear cumple con The New Polytechnic, un paradigma emergente para la educación superior que reconoce que los desafíos y oportunidades globales son tan grandes que no pueden ser abordados adecuadamente ni siquiera por la persona más talentosa que trabaja sola. Rensselaer sirve como una encrucijada para la colaboración:trabajar con socios en todas las disciplinas, sectores, y regiones geográficas:para abordar desafíos globales complejos, utilizando las herramientas y tecnologías más avanzadas, muchos de los cuales se desarrollan en Rensselaer. La investigación en Rensselaer aborda algunos de los desafíos tecnológicos más urgentes del mundo, desde la seguridad energética y el desarrollo sostenible hasta la biotecnología y la salud humana. La Nueva Politécnica es transformadora en el impacto global de la investigación, en su pedagogía innovadora, y en la vida de los estudiantes de Rensselaer.