Сжимая камни

Jun 02, 2024

Специально изготовленная установка может подвергать образцы горных пород тем уровням напряжения, которые они испытывают глубоко в недрах Земли.

«Меня всегда интересовало происхождение тектоники плит», — сказал Филип Скемер, доктор философии, доцент кафедры наук о Земле и планетологии в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Луи.

«Тектоника плит прямо или косвенно ответственна практически за все геологические явления, которые мы наблюдаем на поверхности Земли».

«Но когда я поступил в аспирантуру, я понял, что на многие вопросы, которые я задавал о тектонике плит, невозможно ответить с помощью каменного молотка или компьютера. Чтобы добраться до сути дела, мне действительно пришлось провести лабораторные эксперименты».

Но, как он быстро понял, не существует инструментов, которые могли бы воссоздать на поверхности условия мантии Земли. Поэтому с помощью гранта Национального научного фонда он построил свою собственную машину, которую назвал «Торсионный аппарат большого объема».

Проблема

Камни на поверхности Земли хрупкие и раскалываются, если ударить по ним молотком. Но глубоко под поверхностью, где гораздо жарче и давление гораздо больше, они способны деформироваться, не разрушаясь. Они ползут или текут, ведя себя скорее как жидкости, чем как твердые твердые тела.

Поток проявляется на поверхности как тяжелое движение больших плотов скал, из которых состоят континенты и дно океана. Текущие мантийные породы тянут эти тектонические плиты, растягивая и толкая их в ту или иную сторону.

«Вязкость горных пород имеет решающее значение для понимания тектоники плит», — сказал Скемер. «При достаточно высоких температурах и давлениях горные породы, как и другие жидкости, обладают вязкостью. Но вязкость горных пород верхней мантии может составлять 1019 или 1020 паскаль-секунд, тогда как вязкость воды составляет около 10-3 паскаль-секунды. Разница огромна; более 20 порядков.

Ученые могут оценить вязкость материалов мантии в различных условиях, проводя эксперименты. Но чтобы получить вязкость без опасной экстраполяции за пределы экспериментальных данных, они должны иметь возможность подвергать горные породы широкому диапазону условий деформации.

«В течение долгого времени люди проводили эксперименты с устройствами, сжимающими цилиндрический образец породы», — сказал Скемер. «Если я надавлю на цилиндр, я смогу укоротить его на 50 процентов, то есть растянуть на 50 процентов. Но 50 процентов — это ничто для Земли.

«Если я выйду в поле, я довольно легко смогу найти камни, которые деформировались до 2000 процентов или даже больше», — сказал он. Многие критические процессы деформации не происходят до тех пор, пока не будут достигнуты очень большие деформации.

Новая установка

Чтобы достичь такого уровня напряжения, Скемер построил аппарат для деформации горных пород, который скручивает образцы и оказывает на них давление. «Если вы скрутите каменный цилиндр, вы сможете крутить его вечно», — сказал он. «Нет геометрического предела тому, насколько вы можете его деформировать».

«Я не мог просто пойти и купить инструмент, который хотел», — сказал Скемер. «Коммерчески доступных инструментов для деформации горных пород нет, потому что академическая дисциплина очень мала.

«К счастью, существует целый мир оборудования, которое позволит вам сконструировать аппарат, способный делать практически все, что вы захотите», — сказал Скемер, который признается, что читает каталоги промышленных товаров ради развлечения.

Его новая установка удерживает образец породы между наковальнями из карбида вольфрама диаметром около четверти дюйма внутри 100-тонного гидравлического пресса. Когда он оказывается под давлением, винтовой привод, изначально разработанный для таких задач, как подъем разводных мостов, поворачивает его снизу. Скемер снизил передаточное число привода примерно на 500 000:1, чтобы крутящий момент можно было прикладывать медленно.

«Мое целевое давление — шесть гигапаскалей (ГПа)», — сказал Скемер. «Это около 870 000 фунтов на квадратный дюйм. Другими словами, это 435 тонн силы, что примерно соответствует весу загруженного Боинга 747, прижимающего поверхность размером с почтовую марку. Центр Земли имеет давление около 360 ГПа, — сказал он, — но давление 6 ГПа приведет вас на 250 километров вниз, к основанию тектонических плит».