Mettere la stretta sulle rocce

Jun 02, 2024

Un impianto costruito su misura può sottoporre i campioni di roccia ai livelli di tensione che sperimentano nelle profondità della Terra

"Sono sempre stato interessato alle origini della tettonica a placche", ha affermato Philip Skemer, PhD, assistente professore presso il Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie in Arti e Scienze presso la Washington University di St. Louis.

“La tettonica a placche è direttamente o indirettamente responsabile praticamente di ogni fenomeno geologico che sperimentiamo sulla superficie terrestre”.

“Ma quando ho iniziato la scuola di specializzazione mi sono reso conto che molte delle domande che mi ponevo sulla tettonica a placche non potevano trovare risposta utilizzando un martello da roccia o un computer. Per arrivare al nocciolo della questione, avevo davvero bisogno di fare esperimenti di laboratorio”.

Ma come apprese rapidamente, non esistevano strumenti in grado di ricreare sulla superficie le condizioni del mantello terrestre. Quindi, con l'aiuto di una sovvenzione della National Science Foundation, ha costruito la sua macchina, che chiama apparato di torsione di grande volume.

Il problema

Le rocce sulla superficie della Terra sono fragili e si fratturano se colpite con un martello. Ma in profondità sotto la superficie, dove fa molto più caldo e la pressione è molto maggiore, sono in grado di deformarsi senza rompersi. Strisciano o scorrono, comportandosi più come fluidi che come solidi rigidi.

Il flusso si manifesta in superficie come il movimento ponderoso di grandi zattere di roccia che compongono i continenti e il fondale oceanico. Le rocce fluenti del mantello si trascinano su queste placche tettoniche, tirandole e spingendole di qua e di là.

"La viscosità delle rocce è fondamentale per comprendere la tettonica a placche", ha detto Skemer. “A temperature e pressioni sufficientemente elevate, le rocce, come altri fluidi, hanno viscosità. Ma la viscosità delle rocce nel mantello superiore potrebbe essere di 1019 o 1020 pascal-secondi, mentre la viscosità dell'acqua è di circa 10-3 pascal-secondi. La differenza è enorme; più di 20 ordini di grandezza.

Gli scienziati possono stimare la viscosità dei materiali del mantello in una varietà di condizioni conducendo esperimenti. Ma per ricavare la viscosità senza estrapolare pericolosamente oltre i dati sperimentali, devono essere in grado di esporre le rocce a un’ampia gamma di condizioni di deformazione.

"Per molto tempo, le persone hanno fatto esperimenti con dispositivi che comprimono un campione di roccia cilindrico", ha detto Skemer. “Se spingo un cilindro, potrei riuscire ad accorciarlo del 50%, cioè a deformarlo del 50%. Ma il 50% non è niente per la Terra.

"Se esco sul campo posso facilmente trovare rocce che si sono deformate fino a raggiungere ceppi del 2.000% o anche maggiori", ha detto. Molti processi di deformazione critici non si verificano finché non vengono raggiunte deformazioni molto grandi.

Il nuovo impianto

Per raggiungere questi livelli di sollecitazione, Skemer ha costruito un apparato di deformazione della roccia che torce i campioni e allo stesso tempo li preme. "Se giri un cilindro di roccia, puoi girarlo per sempre", ha detto. "Non esiste un limite geometrico a quanto puoi deformarlo."

"Non potevo semplicemente uscire e comprare lo strumento che volevo", ha detto Skemer. “Non esistono strumenti commercialmente disponibili per la deformazione delle rocce perché la disciplina accademica è così piccola.

"Fortunatamente, c'è tutto questo mondo di apparecchiature là fuori che ti permetterà di costruire un apparecchio in grado di fare praticamente qualsiasi cosa tu voglia fare", ha detto Skemer, che ammette di leggere i cataloghi delle forniture industriali per divertimento.

Il suo nuovo impianto intrappola un campione di roccia tra incudini di carburo di tungsteno di circa un quarto di pollice di diametro all'interno di una pressa idraulica da 100 tonnellate. Una volta sotto pressione, un attuatore a vite, originariamente progettato per compiti come il sollevamento di ponti levatoi, lo ruota dal basso. Skemer ha ridotto l'attuatore di circa 500.000:1, in modo che la coppia possa essere applicata lentamente.

"Sei giga-pascal (GPa) è la mia pressione target", ha detto Skemer. “Sono circa 870.000 libbre per pollice quadrato. In altre parole, si tratta di 435 tonnellate di forza, circa il peso di un 747 carico, che preme su un'area grande quanto un francobollo. Il centro della Terra è a circa 360 GPa”, ha detto, “ma 6 GPa ti portano 250 chilometri più in basso, alla base delle placche tettoniche”.