Entre os geólogos que estudam terremotos e vulcões poderosos, há um mistério:como uma das placas tectônicas da Terra desliza sob outra em uma zona de subducção, a água é extraída de certos minerais, lubrificando terremotos e abastecendo vulcões em pontos quentes como o "Anel de Fogo" do Oceano Pacífico. Mas as equações que predizem onde as forças de subducção retiram a água das pedras apontam consistentemente para locais distantes do local dos cataclismos reais.

Ao aplicar uma nova técnica de espectroscopia a granadas contendo fragmentos de quartzo, O petrólogo metamórfico Frank Spear, do Rensselaer Polytechnic Institute, acha que resolveu o quebra-cabeça. Suas primeiras pesquisas mostram que as equações estão incompletas, faltando a variável significativa de "ultrapassagem, "a energia adicional necessária para iniciar um processo, nesse caso, a decomposição de minerais portadores de água.

"O verdadeiro culpado em vulcões poderosos e terremotos é a água, mas os cientistas não conseguiram determinar de onde vem essa água, "disse Lança, professor e chefe do Departamento Rensselaer de Ciências da Terra e Ambientais. "As equações termodinâmicas convencionais preveem que a água é liberada em uma profundidade muito rasa para ocorrer em locais conhecidos de vulcões e terremotos. Mas quando você leva em consideração o excesso, descobrimos os locais coincidem. A ideia de ultrapassar é uma enorme mudança de paradigma. "

Sua pesquisa é apoiada por US $ 419 de três anos, 247 bolsa da National Science Foundation.

À medida que uma placa tectônica é empurrada para baixo de outra em uma zona de subducção, sedimentos e minerais são carregados profundamente na Terra, com montagem de pressão e temperatura com profundidade crescente. No início do processo, a água líquida é espremida dos espaços dos poros entre as rochas, mas muitos minerais - como micas, serpentinas, e cloritos - contêm água como parte de sua estrutura mineral. Clorito, por exemplo, contém cerca de 10 por cento de água em peso. Quando os minerais que contêm água finalmente sucumbem ao aumento da temperatura e pressão, eles liberam água.

A água atua como um lubrificante na zona de falha criada entre duas placas, reduzindo a tensão na falha e permitindo que as placas deslizem umas sobre as outras, produzindo um terremoto. Zonas de subdução produzem alguns dos maiores e mais destrutivos terremotos do mundo; o maior terremoto de magnitude já registrado - um terremoto de magnitude 9,5 em 1960 perto de Valdivia, Chile - ocorreu em uma zona de subducção. A água também atua como um fluxo nas rochas circundantes, deprimindo a temperatura de fusão da rocha, que se derrete em magma que sobe à superfície e entra em erupção como um vulcão.

No ponto em que a água é liberada, ele cria pistas que remontam à sua origem. Novos minerais se formam na crosta em metamorfose, incluindo granada, que é produzido pela degradação do clorito contendo água. A granada se forma sob pressão, e às vezes, enquanto isso, ele captura fragmentos de minerais circundantes em suas garras, fragmentos que retêm um registro da pressão sob a qual a granada se formou. Spear encontrou essas granadas, que se formou em torno de pequenos fragmentos de quartzo, em uma ilha nas Cíclades gregas.

Em seu laboratório, Spear e seus alunos de graduação usaram a espectroscopia Raman - comumente usada em química para identificar a composição molecular de uma amostra - para examinar o quartzo embutido na granada. Na espectroscopia Raman, a luz do laser incide sobre uma amostra, e a energia dos fótons é deslocada para cima ou para baixo com base nas interações entre a luz e a amostra. A diferença entre a frequência da luz de saída e de retorno fornece uma assinatura de estrutura definitiva.

O quartzo à pressão ambiente produz uma assinatura bem conhecida. Mas o pico da assinatura do quartzo nas amostras das Cíclades foi alterado para um valor mais alto, indicando a pressão sobre o grão. Como a mudança do sinal Raman do quartzo foi cuidadosamente calibrada, Spear foi capaz de usá-lo para determinar a pressão, e, portanto, a profundidade e temperatura, em que a granada cristalizou em torno do quartzo.

"O que descobrimos quando fizemos isso é que a granada não se forma na profundidade rasa onde os cálculos termodinâmicos previam, mas muito mais fundo, perto da origem dos vulcões e terremotos, "disse Lança.

A descoberta também indica que a granada não cristaliza em equilíbrio, como é a base dos cálculos termodinâmicos que prevêem esse processo. Este, disse a lança, "foi uma surpresa total." Embora o início da maioria dos processos exija energia de ativação - ou ultrapassagem - até certo ponto, os pesquisadores sempre presumiram que a energia de ativação para iniciar a nucleação da granada seria trivial. Mas os resultados sugerem um aumento significativo de 50 a 70 graus Celsius.

A pesquisa inicial, publicado em uma série de artigos a partir de 2014, foi baseado em três amostras de um único local em Sifnos. O novo financiamento apoiará uma investigação mais ampla usando 10 a 20 amostras retiradas de cinco locais diferentes, para determinar se as descobertas foram "uma peculiaridade, ou uma verdade universal. "Spear também está trabalhando no desenvolvimento de cálculos - e um novo" método de força motriz máxima "- que incorporará ultrapassagem observada para produzir previsões mais precisas.

A pesquisa de Spear cumpre The New Polytechnic, um paradigma emergente para o ensino superior que reconhece que os desafios e oportunidades globais são tão grandes que não podem ser enfrentados de forma adequada, mesmo pela pessoa mais talentosa que trabalha sozinha. Rensselaer serve como uma encruzilhada para a colaboração, trabalhando com parceiros em todas as disciplinas, setores, e regiões geográficas - para enfrentar desafios globais complexos, usando as ferramentas e tecnologias mais avançadas, muitos dos quais são desenvolvidos em Rensselaer. A pesquisa em Rensselaer aborda alguns dos desafios tecnológicos mais urgentes do mundo - desde a segurança energética e o desenvolvimento sustentável até a biotecnologia e a saúde humana. O Novo Politécnico é transformador no impacto global da pesquisa, em sua pedagogia inovadora, e na vida dos alunos da Rensselaer.