Ninguém pode viajar dentro da terra para estudar o que acontece lá. Portanto, os cientistas devem fazer o possível para reproduzir as condições do mundo real dentro do laboratório.

"Estamos interessados ​​em processos geofísicos de grande escala, como a forma como as placas tectônicas se iniciam e como as placas se movem uma debaixo da outra em zonas de subducção, "disse David Goldsby, professor associado da Universidade da Pensilvânia. "Fazer isso, precisamos entender o comportamento mecânico da olivina, que é o mineral mais comum no manto superior da Terra. "

Goldsby, em parceria com Christopher A. Thom, um estudante de doutorado na Penn, bem como pesquisadores da Universidade de Stanford, a University of Oxford e a University of Delaware, já resolveu uma questão de longa data nesta área de pesquisa. Enquanto experimentos de laboratório anteriores resultaram em estimativas amplamente díspares da força da olivina no manto litosférico da Terra, a parte relativamente fria e, portanto, forte do manto superior da Terra, o novo trabalho, publicado no jornal Avanços da Ciência , resolve as disparidades anteriores descobrindo que, quanto menor o tamanho do grão da olivina sendo testada, mais forte é.

Como a olivina no manto terrestre tem um tamanho de grão maior do que a maioria das amostras de olivina testadas em laboratórios, os resultados sugerem que o manto, que compreende até 95 por cento das placas tectônicas do planeta, é de fato mais fraco do que se acreditava. Esta imagem mais realista do interior pode ajudar os pesquisadores a entender como as placas tectônicas se formam, como eles se deformam quando carregados com o peso de, por exemplo, uma ilha vulcânica como o Havaí, ou mesmo como os terremotos começam e se propagam.

Por mais de 40 anos, pesquisadores tentaram prever a força da olivina no manto litosférico da Terra a partir dos resultados de experimentos de laboratório. Mas os testes em um laboratório são muitas camadas removidas das condições dentro da terra, onde as pressões são mais altas e as taxas de deformação são muito mais lentas do que no laboratório. Uma outra complicação é que, nas temperaturas relativamente baixas da litosfera terrestre, a força da olivina é tão alta que é difícil medir sua força plástica sem fraturar a amostra. Os resultados dos experimentos existentes variaram amplamente, e eles não se alinham com as previsões da força da olivina de modelos geofísicos e observações.

Na tentativa de resolver essas discrepâncias, os pesquisadores empregaram uma técnica conhecida como nanoindentação, que é usado para medir a dureza dos materiais. Simplificando, os pesquisadores medem a dureza de um material, que está relacionado à sua força, aplicando uma carga conhecida a uma ponta de indentador de diamante em contato com um mineral e, em seguida, medindo o quanto o mineral se deforma. Embora estudos anteriores tenham empregado vários aparelhos de deformação de alta pressão para manter as amostras juntas e evitar que se quebrem, uma configuração complicada que torna as medições de força desafiadoras, a nanoindentação não requer um aparelho tão complexo.

"Com nanoindentação, "Goldsby disse, "a amostra de fato se torna seu próprio vaso de pressão. A pressão hidrostática abaixo da ponta do indentador mantém a amostra confinada quando você pressiona a ponta na superfície da amostra, permitindo que a amostra se deforme plasticamente sem fratura, mesmo em temperatura ambiente. "

Realizando 800 experimentos de nanoindentação em que eles variaram o tamanho da indentação, variando a carga aplicada à ponta de diamante pressionada na amostra, a equipe de pesquisa descobriu que quanto menor o tamanho do recuo, o mais difícil, e, portanto, mais forte, a olivina tornou-se.

"Este efeito de tamanho de indentação foi visto em muitos outros materiais, mas achamos que esta é a primeira vez que é mostrado em um material geológico, "Goldsby disse.

Olhando para trás, para os dados de força coletados anteriormente para a olivina, os pesquisadores determinaram que as discrepâncias nesses dados poderiam ser explicadas invocando um efeito de tamanho relacionado, em que a força da olivina aumenta com a diminuição do tamanho do grão das amostras testadas. Quando esses dados de resistência anteriores foram plotados em relação ao tamanho do grão em cada estudo, todos os dados se encaixam em uma tendência suave que prevê forças menores do que se pensava no manto litosférico da Terra.

Em um artigo relacionado de Thom, Goldsby e colegas, publicado recentemente na revista Geophysical Research Letters, os pesquisadores examinaram os padrões de rugosidade em falhas que ficaram expostas na superfície da Terra devido à elevação das placas e à erosão.

"Falhas diferentes têm rugosidades semelhantes, e há uma ideia publicada recentemente que diz que você pode obter esses padrões porque a resistência dos materiais na superfície da falha aumenta com a escala decrescente de rugosidade, "Thom disse." Esses padrões e o comportamento de atrito que eles causam podem ser capazes de nos dizer algo sobre como os terremotos se nucleados e como se propagam. "

Em trabalho futuro, os pesquisadores da Penn e sua equipe gostariam de estudar os efeitos da força do tamanho em outros minerais e também se concentrar no efeito do aumento da temperatura nos efeitos do tamanho na olivina.