Estos misteriosos terremotos se originan entre 400 y 700 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra y se han registrado con magnitudes de hasta 8,3 en la escala de Richter.

Xanthippi Markenscoff, un profesor distinguido en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs, es la persona que resolvió este misterio. Su artículo "Inestabilidades de colapso de volumen en terremotos profundos:una fuente de cizallamiento nucleada e impulsada por presión" aparece en el Revista de Mecánica y Física de Sólidos .

El término terremoto de enfoque profundo se refiere al hecho de que este tipo de terremoto se origina en las profundidades del manto de la Tierra, donde las fuerzas de presión son muy altas. Dado que los terremotos de foco profundo se identificaron por primera vez en 1929, los investigadores habían estado tratando de comprender qué procesos los causan. Los investigadores pensaron que las altas presiones producirían una implosión que produciría intuitivamente ondas de presión. Sin embargo, no habían podido conectar los puntos entre la alta presión y el tipo específico de ondas sísmicas, llamadas ondas sísmicas de corte (o distorsión), producidas por terremotos de enfoque profundo. (Puede sentir energía distorsionante si sostiene su antebrazo y luego lo gira).

En su nuevo periódico Markenscoff completa su explicación de este misterio que ocurre bajo presiones ultra altas. Ella desentrañó el misterio en una serie de artículos a partir de 2019. Además, Su solución da una idea de muchos otros fenómenos, como los impactos planetarios y la formación planetaria, que comparten procesos geofísicos similares.

"Este es un ejemplo perfecto de cómo el modelado matemático profundo rigurosamente enraizado en la mecánica y la física puede ayudarnos a resolver misterios en la naturaleza. El trabajo del profesor Markenscoff puede tener un impacto profundo no solo en cómo entendemos los terremotos de enfoque profundo, sino también sobre cómo podríamos usar de manera controlable las transformaciones de fase dinámica en materiales de ingeniería para nuestro beneficio, "dijo Huajian Gao, profesor universitario distinguido en la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur y editor de la Revista de Mecánica y Física de Sólidos donde aparece el artículo de Markenscoff.

De la transformación de la roca al terremoto

Es bien sabido que las altas presiones que existen entre 400 y 700 kilómetros por debajo de la superficie de la tierra pueden hacer que la roca olivina experimente una transformación de fase en un tipo de roca más densa llamada espinela. Esto es análogo a cómo el carbón se puede transformar en diamante, lo que también ocurre en las profundidades del manto de la Tierra.

Pasar del olivino a la espinela más densa conduce a reducciones en el volumen de roca a medida que los átomos se acercan entre sí bajo una gran presión. Esto se puede llamar "colapso de volumen". Este colapso de volumen y la "falla transformacional" asociada se ha considerado la causa predominante de los terremotos de enfoque profundo. Sin embargo, hasta ahora, No hubo ningún modelo basado en el colapso de volumen que predijera las ondas sísmicas de corte (distorsión) que llegan realmente a la superficie de la tierra durante los terremotos de enfoque profundo. Por esta razón también se consideraron otros modelos, y el estado de cosas permaneció estancado.

Markenscoff ahora ha resuelto este misterio utilizando física matemática fundamental y mecánica al descubrir inestabilidades que ocurren a presiones muy altas. Una inestabilidad se refiere a la forma de la región en expansión de la roca en transformación y la otra inestabilidad se refiere a su crecimiento.

Para que las regiones en expansión de esta transformación de fase de olivino a espinela crezcan grandes, estas regiones transformantes con gran densificación asumirán una forma aplanada "similar a un panqueque" que minimiza la energía requerida para que la región densificada se propague en el medio no transformado a medida que crece. Este es un modo de ruptura de simetría que puede ocurrir bajo las presiones muy altas que existen donde se originan los terremotos de enfoque profundo. y es esta ruptura de simetría la que crea la deformación de corte responsable de las ondas de corte que alcanzan la superficie de la Tierra. Previamente, Los investigadores asumieron una expansión esférica que preserva la simetría, lo que no daría lugar a ondas sísmicas cortantes. No sabían que se permitiría romper la simetría.

"Romper la simetría esférica de la forma de la roca transformada minimiza la energía requerida para que la región de propagación de la transformación de fase crezca grande, "dijo Markenscoff." No gastas energía para mover la superficie de una gran esfera, pero solo el perímetro ".

Además, Markenscoff explicó que dentro de la región en expansión de transformación de fase de la roca, no hay movimiento de partículas ni energía cinética (es una "laguna"), y, por lo tanto, la energía que irradia se maximiza. Esto explica por qué las ondas sísmicas pueden llegar a la superficie, en lugar de que gran parte de la energía se disipe en el interior de la Tierra.

El modelo analítico de Markenscoff para los campos de deformación de la fuente sísmica en expansión se basa en la generalización dinámica de la inclusión seminal de Eshelby (1957) que satisface el teorema de la laguna (Atiya et al, 1970). La energía de la región en expansión de transformación de fase se rige por el teorema de física teórica de Noether (1918) a través del cual obtuvo las inestabilidades que crean una avalancha creciente y de rápido movimiento de volumen colapsando bajo presión. Esta es la segunda inestabilidad descubierta (con respecto al crecimiento):una vez que se ha desencadenado una región aplanada densificada arbitrariamente pequeña, bajo una presión crítica, seguirá creciendo sin necesidad de más energía. (Sigue colapsando "como un castillo de naipes"). el misterio está resuelto:aunque es una fuente de cizallamiento, lo que impulsa la propagación de un terremoto de enfoque profundo es la presión que actúa sobre el cambio de volumen.

Cuando se le pidió que reflexionara sobre su descubrimiento de que los terremotos de enfoque profundo podrían describirse con los teoremas que son la base de la física matemática, ella dijo, "Siento que me he unido a la naturaleza. He descubierto la belleza de cómo funciona la naturaleza. Es la primera vez en mi vida. Antes estaba poniendo un pequeño paso en los pasos de otra persona. Sentí esta inmensa alegría".

Descubrimiento relevante

Los terremotos de foco profundo son solo uno de los fenómenos en los que se manifiestan estas inestabilidades. También ocurren en otros fenómenos de transformaciones de fase dinámica bajo altas presiones, como los impactos planetarios y la amorfización. Hoy dia, Hay nuevas instalaciones experimentales como la Instalación Nacional de Ignición (NIF) administrada por el Laboratorio Nacional Lawrence Liver en la que los investigadores pueden estudiar materiales bajo presiones extremadamente altas que antes eran imposibles de probar.

El nuevo trabajo de Markenscoff proporciona una demostración importante y un recordatorio de que para obtener una comprensión más profunda de los misterios de la naturaleza a menudo se requieren conocimientos que se pueden obtener aprovechando los fundamentos de la física matemática junto con la investigación experimental realizada en condiciones extremas.

De hecho, Markenscoff coorganizó dos talleres financiados por la National Science Foundation (NSF) en UC San Diego en 2016 y 2019 que reunieron a geofísicos y sismólogos con mecánicos para garantizar que estas comunidades de investigación estén al tanto de las metodologías y técnicas desarrolladas en mecánica.

"Nuestros sistemas educativos deben seguir invirtiendo en la enseñanza de los fundamentos de la ciencia como pilares para el avance del conocimiento, que se puede lograr mediante la convergencia interdisciplinaria de la teoría, experimentos y ciencia de datos, "dijo Markenscoff.

También destacó la importancia del apoyo a la investigación que ha recibido a lo largo de los años de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF).

"Sabiendo que mi gerente de programa de NSF creía que era posible resolver este 'misterio' y me financió, reforzó tanto mi confianza como mi determinación de perseverar ", dijo Markenscoff. "Señalo esto como un recordatorio para todos nosotros. También es fundamental que demos un ánimo reflexivo y considerado a nuestros estudiantes y colegas. Saber que las personas a quienes respetas creen en ti y en tu trabajo puede ser muy poderoso".