Den Druck auf Steine ​​ausüben

Jun 02, 2024

Eine speziell angefertigte Bohranlage kann Gesteinsproben den Belastungen aussetzen, denen sie tief im Erdinneren ausgesetzt sind

„Ich habe mich schon immer für die Ursprünge der Plattentektonik interessiert“, sagte Philip Skemer, PhD, Assistenzprofessor am Department of Earth and Planetary Sciences in Arts & Sciences der Washington University in St. Louis. Louis.

„Die Plattentektonik ist direkt oder indirekt für praktisch jedes geologische Phänomen verantwortlich, das wir an der Erdoberfläche erleben.“

„Aber als ich an der Graduiertenschule ankam, wurde mir klar, dass viele meiner Fragen zur Plattentektonik nicht mit einem Steinhammer oder einem Computer beantwortet werden konnten. Um der Sache auf den Grund zu gehen, musste ich unbedingt Laborexperimente durchführen.“

Doch wie er schnell erfuhr, gab es keine Instrumente, die die Bedingungen im Erdmantel an der Oberfläche nachbilden könnten. Deshalb baute er mit Hilfe eines Stipendiums der National Science Foundation seine eigene Maschine, die er „Large Volume Torsion Apparat“ nennt.

Das Problem

Steine ​​auf der Erdoberfläche sind spröde und brechen, wenn man mit einem Hammer darauf schlägt. Aber tief unter der Oberfläche, wo es viel heißer und der Druck viel größer ist, können sie sich verformen, ohne zu brechen. Sie kriechen oder fließen und verhalten sich eher wie Flüssigkeiten als wie starre Feststoffe.

Die Strömung manifestiert sich an der Oberfläche als schwerfällige Bewegung großer Felsblöcke, aus denen die Kontinente und der Meeresboden bestehen. Die fließenden Mantelgesteine ​​ziehen an diesen tektonischen Platten und ziehen und schieben sie hin und her.

„Die Viskosität von Gesteinen ist entscheidend für das Verständnis der Plattentektonik“, sagte Skemer. „Bei ausreichend hohen Temperaturen und Drücken haben Gesteine ​​wie andere Flüssigkeiten eine Viskosität. Aber die Viskosität von Gesteinen im oberen Erdmantel könnte 1019 oder 1020 Pascalsekunden betragen, während die Viskosität von Wasser etwa 10-3 Pascalsekunden beträgt. Der Unterschied ist enorm; mehr als 20 Größenordnungen.

Wissenschaftler können die Viskosität von Mantelmaterialien unter verschiedenen Bedingungen durch die Durchführung von Experimenten abschätzen. Um jedoch die Viskosität abzuleiten, ohne gefährlich über experimentelle Daten hinaus zu extrapolieren, müssen sie in der Lage sein, Gesteine ​​einem breiten Spektrum an Verformungsbedingungen auszusetzen.

„Lange Zeit wurden Experimente mit Geräten durchgeführt, die eine zylindrische Gesteinsprobe komprimieren“, sagte Skemer. „Wenn ich auf einen Zylinder drücke, kann ich ihn vielleicht um 50 Prozent verkürzen, also um 50 Prozent belasten. Aber 50 Prozent sind nichts für die Erde.

„Wenn ich ins Feld gehe, kann ich ziemlich leicht Steine ​​finden, die sich um 2.000 Prozent oder sogar mehr verformt haben“, sagte er. Viele kritische Verformungsprozesse treten erst auf, wenn sehr große Dehnungen erreicht werden.

Das neue Rig

Um diese Belastungsgrade zu erreichen, hat Skemer einen Gesteinsverformungsapparat gebaut, der Proben sowohl verdreht als auch auf sie drückt. „Wenn man einen Steinzylinder verdreht, kann man ihn für immer verdrehen“, sagte er. „Es gibt keine geometrische Grenze dafür, wie stark man es verformen kann.“

„Ich konnte nicht einfach rausgehen und das Instrument kaufen, das ich wollte“, sagte Skemer. „Es gibt keine kommerziell erhältlichen Instrumente zur Gesteinsverformung, weil die akademische Disziplin so klein ist.

„Zum Glück gibt es da draußen eine ganze Welt voller Geräte, die es einem ermöglichen, ein Gerät zu konstruieren, das nahezu alles kann, was man tun möchte“, sagte Skemer, der zugibt, zum Spaß Industriebedarfskataloge zu lesen.

Sein neues Bohrgerät fängt eine Gesteinsprobe zwischen Wolframcarbid-Ambossen mit einem Durchmesser von etwa einem Viertel Zoll in einer 100-Tonnen-Hydraulikpresse ein. Sobald es unter Druck steht, dreht es ein Schraubenantrieb, der ursprünglich für Aufgaben wie das Anheben von Zugbrücken entwickelt wurde, von unten. Skemer hat den Aktuator um etwa 500.000:1 untersetzt, sodass das Drehmoment langsam aufgebracht werden kann.

„Sechs Gigapascal (GPa) ist mein Zieldruck“, sagte Skemer. „Das sind etwa 870.000 Pfund pro Quadratzoll. Anders ausgedrückt sind das 435 Tonnen Kraft, etwa das Gewicht einer beladenen 747, die auf eine Fläche von der Größe einer Briefmarke drücken. „Der Erdmittelpunkt beträgt etwa 360 GPa“, sagte er, „aber 6 GPa bringen einen 250 Kilometer tief in die Tiefe, bis zur Basis der tektonischen Platten.“

Gleichzeitig wird die Probe auf Temperaturen von bis zu 1.300 Grad Celsius (2.500 Grad Fahrenheit) erhitzt.

Was ist mit seismischen Daten?

Eines der vielen Dinge, die Skemer mit seiner neuen Maschine untersuchen möchte, ist, wie Gesteine ​​unter Druck eine sogenannte gitterbevorzugte Orientierung entwickeln, ein Schlüsselparameter bei der Interpretation seismischer Daten, die ähnlich wie CTs zur Abbildung des Erdinneren verwendet werden werden verwendet, um das Innere des menschlichen Körpers abzubilden.

Seismische Wellen breiten sich in manchen Richtungen schneller aus als in anderen, eine Eigenschaft, die Anisotropie genannt wird. Dies geschieht, weil einige Mantelgesteine ​​eine bevorzugte Gitterorientierung oder eine bevorzugte Anordnung der kristallinen Körner und der Bindungen zwischen ihren Atombestandteilen haben. Eine seismische Welle breitet sich parallel zu steiferen Bindungen schneller und parallel zu schwächeren Bindungen langsamer aus.

„Das meiste, was wir über die Muster und die Richtung des Mantelflusses wissen, stammt aus seismischen Daten“, sagte Skemer. „Das Problem besteht darin, dass Annahmen über die Beziehungen zwischen Strömung, seismischer Anisotropie und bevorzugter Gitterorientierung getroffen werden müssen, um die seismischen Daten zu interpretieren.

„Wie Olivin, das dominierende Mantelmineral, von einer zufälligen Gitterverteilung zu einer organisierten übergeht, ist nicht genau geklärt“, sagte Skemer. „Und wenn man das nicht versteht, kann man nicht in die andere Richtung gehen und seismische Anisotropie verwenden, um auf die Strömungsmuster im Mantel zu schließen.

„Als Experimentator beschäftige ich mich mit dem Vorwärtsproblem und Seismologen mit dem Umkehrproblem. Sie versuchen, von der Anisotropie zum Fließen überzugehen, und ich versuche zu verstehen, wie die Anisotropie überhaupt entsteht. Es handelt sich um komplementäre Ansätze; Wir können das eine nicht ohne das andere tun.

„Seismologen verwenden seit Jahrzehnten einfache Modelle, die davon ausgehen, dass die schnellste Richtung seismischer Wellen parallel zur Strömungsrichtung verläuft“, sagte er, „und ich glaube nicht, dass diese Annahme immer richtig ist.“ Es beruht weitgehend auf einer kleinen Anzahl von Daten, die meiner Meinung nach ein unvollständiges Bild davon vermitteln, was dort unten vor sich geht.

Jeder, der die Geschichte der Wissenschaft liest, kann sich viele Fälle vorstellen, in denen sich etwas, das auf den ersten Blick wahr war, als falsch herausstellte, als es durch Experimente überprüft wurde. Das ist es, was ihn dazu treibt, die Ärmel hochzukrempeln und Experimente mit dem Gestein selbst durchzuführen, statt durch Simulation, also mathematisch, und alles auf dem Papier.

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