Ingen kan resa inuti jorden för att studera vad som händer där. Så forskare måste göra sitt bästa för att replikera verkliga förhållanden i labbet.

"Vi är intresserade av storskaliga geofysiska processer, som hur plattektoniken initieras och hur plattor rör sig under varandra i subduktionszoner, sa David Goldsby, en docent vid University of Pennsylvania. "Att göra det, vi måste förstå det mekaniska beteendet hos olivin, som är det vanligaste mineralet i jordens övre mantel."

Goldsby, tillsammans med Christopher A. Thom, en doktorand vid Penn, samt forskare från Stanford University, University of Oxford och University of Delaware, har nu löst en långvarig fråga inom detta forskningsområde. Medan tidigare laboratorieexperiment resulterade i vitt skilda uppskattningar av styrkan hos olivin i jordens litosfäriska mantel, den relativt kalla och därför starka delen av jordens översta mantel, det nya verket, publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg , löser de tidigare skillnaderna genom att finna att, ju mindre kornstorleken på olivinen som testas, desto starkare är det.

Eftersom olivin i jordens mantel har en större kornstorlek än de flesta olivinprover som testats i laboratorier, resultaten tyder på att manteln, som omfattar upp till 95 procent av planetens tektoniska plattor, är faktiskt svagare än en gång trott. Denna mer realistiska bild av interiören kan hjälpa forskare att förstå hur tektoniska plattor bildas, hur de deformeras när de belastas med vikten av, till exempel, en vulkanö som Hawaii, eller till och med hur jordbävningar börjar och fortplantar sig.

I mer än 40 år, Forskare har försökt förutsäga styrkan hos olivin i jordens litosfäriska mantel utifrån resultaten av laboratorieexperiment. Men tester i ett labb är många lager borttagna från förhållandena inuti jorden, där trycken är högre och deformationshastigheterna är mycket långsammare än i labbet. En ytterligare komplikation är att vid de relativt låga temperaturerna på jordens litosfär, styrkan hos olivin är så hög att det är svårt att mäta dess plastiska styrka utan att provet spricker. Resultaten av befintliga experiment har varierat kraftigt, och de överensstämmer inte med förutsägelser om olivinstyrka från geofysiska modeller och observationer.

I ett försök att lösa dessa avvikelser, forskarna använde en teknik som kallas nanoindentation, som används för att mäta materials hårdhet. Enkelt uttryckt, forskarna mäter hårdheten hos ett material, som är relaterad till dess styrka, genom att applicera en känd belastning på en diamantspets i kontakt med ett mineral och sedan mäta hur mycket mineralet deformeras. Medan tidigare studier har använt olika högtrycksdeformationsapparater för att hålla ihop proverna och förhindra att de spricker, en komplicerad uppställning som gör mätningar av styrka utmanande, nanoindentation kräver inte en så komplex apparat.

"Med nanoindentation, Goldsby sa, "provet blir i själva verket sitt eget tryckkärl. Det hydrostatiska trycket under intryckningsspetsen håller provet instängt när du trycker in spetsen i provets yta, låta provet deformeras plastiskt utan brott, även vid rumstemperatur."

Utföra 800 nanoindentationsexperiment där de varierade storleken på fördjupningen genom att variera belastningen på diamantspetsen som pressades in i provet, forskargruppen fann att ju mindre indraget var, desto svårare, och därmed starkare, olivin blev.

"Denna intryckningsstorlekseffekt hade setts i många andra material, men vi tror att det är första gången det har visats i ett geologiskt material, sa Goldsby.

När man ser tillbaka på tidigare insamlade styrkadata för olivin, forskarna fastställde att avvikelserna i dessa data kunde förklaras genom att åberopa en relaterad storlekseffekt, varvid styrkan hos olivin ökar med minskande kornstorlek hos de testade proverna. När dessa tidigare hållfasthetsdata plottades mot kornstorleken i varje studie, all data passar på en jämn trend som förutsäger styrkor som är lägre än tänkbara i jordens litosfäriska mantel.

I en relaterad artikel av Thom, Goldsby och kollegor, publicerades nyligen i tidskriften Geophysical Research Letters, forskarna undersökte mönster av grovhet i förkastningar som har blivit blottade på jordytan på grund av upphöjda plattor och erosion.

"Olika fel har en liknande grovhet, och det finns en idé som publicerades nyligen som säger att du kan få dessa mönster eftersom styrkan hos materialen på felytan ökar med den minskande skalan av grovhet, ", sa Thom. "De här mönstren och friktionsbeteendet de orsakar kanske kan berätta något om hur jordbävningar bildas och hur de sprider sig."

I framtida arbete, forskarna från Penn och deras team skulle vilja studera storlek-styrka-effekter i andra mineraler och även fokusera på effekten av ökande temperatur på storlekseffekter i olivin.