Bland geologer som studerar kraftiga jordbävningar och vulkaner, det finns ett mysterium:när en av jordens tektoniska plattor glider under en annan i en subduktionszon, vatten pressas från vissa mineraler, smörjer jordbävningar och ger bränsle till vulkaner på heta platser som Stilla havets "Ring of Fire". Men ekvationer som förutsäger var subduktionskrafterna vrider vatten från sten konsekvent pekar på platser långt från platsen för faktiska katastrofer.

Genom att tillämpa en ny spektroskopiteknik på granat som innehåller fragment av kvarts, metamorfisk petrolog Frank Spear från Rensselaer Polytechnic Institute tror att han har löst pusslet. Hans tidiga forskning visar att ekvationerna är ofullständiga, saknar den signifikanta variabeln "överskridning, "den extra energi som behövs för att initiera en process, I detta fall, nedbrytning av vattenförande mineraler.

"Den verkliga boven i kraftfulla vulkaner och jordbävningar är vatten, men forskare har inte kunnat avgöra var vattnet kommer ifrån, sa Spear, en professor och chef för Rensselaers institution för geo- och miljövetenskap. "Konventionella termodynamiska ekvationer förutsäger att vatten släpps ut på för grunt djup för att kunna inträffa vid de kända platserna för vulkaner och jordbävningar. Men när du tar hänsyn till översteget vi har upptäckt, platserna sammanfaller. Idén om att överskrida är ett enormt paradigmskifte."

Hans forskning stöds av en treårig $419, anslag 247 från National Science Foundation.

När en tektonisk platta skjuts under en annan i en subduktionszon, sediment och mineraler transporteras djupt in i jorden, med tryck- och temperaturmontering med ökande djup. Tidigt i processen pressas flytande vatten från porutrymmena mellan stenar, men många mineraler - som glimmer, ormar, och kloriter - innehåller vatten som en del av deras mineralstruktur. Klorit, till exempel, innehåller cirka 10 viktprocent vatten. När vattenförande mineraler äntligen ger efter för ökad temperatur och tryck, de släpper ut vatten.

Vattnet fungerar som ett smörjmedel i förkastningszonen som skapas mellan två plattor, minskar belastningen på felet och låter plattorna glida förbi varandra, producerar en jordbävning. Subduktionszoner producerar några av världens största och mest destruktiva jordbävningar; den största jordbävningen hittills registrerats - en jordbävning med magnituden 9,5 1960 nära Valdivia, Chile - inträffade i en subduktionszon. Vattnet fungerar också som ett flöde på omgivande sten, trycka ner bergets smälttemperatur, som smälter till magma som stiger till ytan och får ett utbrott som en vulkan.

Vid den punkt där vattnet släpps ut, det skapar ledtrådar Spear spåras tillbaka till sitt ursprung. Nya mineraler bildas i den metamorfoserande skorpan, inklusive granat, som framställs genom nedbrytning av vattenförande klorit. Granaten bildas under tryck, och ibland, som det gör så, den fångar fragment av omgivande mineraler i sitt grepp, fragment som behåller ett register över trycket under vilket granaten bildades. Spear hittade sådana granater, som bildades runt små fragment av kvarts, på en ö i de grekiska Kykladerna.

I hans labb, Spear och hans doktorander använde Raman -spektroskopi - vanligt förekommande inom kemi för att identifiera molekylär sammansättning av ett prov - för att undersöka kvarts inbäddad i granaten. I Raman-spektroskopi, laserljus lyser på ett prov, och fotonernas energi skiftas upp eller ner baserat på interaktionerna mellan ljuset och provet. Skillnaden mellan frekvensen av det utgående och återkommande ljuset ger en definitiv struktursignatur.

Kvarts vid omgivande tryck ger en välkänd signatur. Men toppen av signaturen från kvarts i Kykladerna -proverna flyttades till ett högre värde, indikerar trycket på spannmålen. Eftersom kvartsraman i Raman har skiftats noggrant, Spear kunde använda den för att bestämma trycket, och därför djupet och temperaturen, vid vilken granaten kristalliserade runt kvarts.

"Vad vi upptäckte när vi gjorde det här är att granaten inte bildas på det grunda djupet där de termodynamiska beräkningarna förutspådde, men mycket djupare ner, nära ursprunget till vulkaner och jordbävningar, sa Spear.

Fyndet indikerar också att granaten inte kristalliserar vid jämvikt, som är grunden för termodynamiska beräkningar som förutsäger den processen. Den där, sa Spear, "var en total överraskning." Även om initiering av de flesta processer kräver aktiveringsenergi - eller översteg - i viss utsträckning, forskare antog alltid att aktiveringsenergin för att initiera kärnbildning av granat skulle vara trivial. Men resultaten tyder på betydande översteg på 50 till 70 grader Celsius.

Den första forskningen, publicerades i en serie tidningar som började 2014, baserades på tre prover från en enda plats på Sifnos. Den nya finansieringen kommer att stödja en bredare utredning med 10 till 20 prover tagna från fem olika platser, för att avgöra om fynden var "en egenhet, eller en universell sanning. "Spear arbetar också med att utveckla beräkningar - och en ny" maximal drivkraftsmetod " - som kommer att inkludera observerade översteg för att ge mer exakta förutsägelser.

Spears forskning uppfyller The New Polytechnic, ett framväxande paradigm för högre utbildning som inser att globala utmaningar och möjligheter är så stora att de inte kan hanteras på ett adekvat sätt av ens den mest begåvade personen som arbetar ensam. Rensselaer fungerar som ett vägskäl för samarbete – att arbeta med partners över discipliner, sektorer, och geografiska regioner – för att hantera komplexa globala utmaningar, använda de mest avancerade verktygen och teknikerna, många av dem är utvecklade på Rensselaer. Forskningen vid Rensselaer tar upp några av världens mest pressande tekniska utmaningar – från energisäkerhet och hållbar utveckling till bioteknik och människors hälsa. Den nya yrkeshögskolan är transformerande i den globala inverkan av forskning, i sin innovativa pedagogik, och i livet för studenter på Rensselaer.