Dessa mystiska jordbävningar har sitt ursprung mellan 400 och 700 kilometer under jordens yta och har registrerats med magnituder upp till 8,3 på Richterskalan.

Xanthippi Markenscoff, en framstående professor vid avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, är personen som löste detta mysterium. Hennes artikel "Volym kollaps instabilities in djupa jordbävningar:en skjuvkälla kärna och driven av tryck" visas i Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Termen djupfokuserad jordbävning syftar på att denna typ av jordbävning har sitt ursprung djupt i jordens mantel där tryckkrafterna är mycket höga. Sedan djupfokuserade jordbävningar först identifierades 1929, forskare hade försökt förstå vilka processer som orsakar dem. Forskare trodde att de höga trycken skulle producera en implosion som intuitivt skulle producera tryckvågor. Dock, de hade inte kunnat koppla ihop prickarna mellan högtrycket och den specifika typen av seismiska vågor – kallade skjuvvågor (eller distorsionella) seismiska vågor – som producerats av jordbävningar med djupt fokus. (Du kan känna förvrängd energi om du håller din underarm och sedan vrider den.)

I hennes nya tidning, Markenscoff avslutar sin förklaring av detta mysterium som inträffar under extremt högt tryck. Hon avslöjade mysteriet i en rad papper som började 2019. Dessutom, hennes lösning ger insikt i många andra fenomen som planetariska nedslag och planetbildning som delar liknande geofysiska processer.

"Detta är ett perfekt exempel på hur djup matematisk modellering rigoröst rotad i mekanik och fysik kan hjälpa oss att lösa mysterier i naturen. Professor Markenscoffs arbete kan ha djupgående inverkan inte bara på hur vi förstår djupfokuserade jordbävningar, men också om hur vi kontrollerbart kan använda dynamiska fastransformationer i tekniska material till vår fördel, " sa Huajian Gao, en framstående universitetsprofessor vid Singapores Nanyang Technological University och redaktör för Journal of the Mechanics and Physics of Solids där Markenscoffs papper dyker upp.

Från att förvandla sten till jordbävning

Det har varit väl känt att de höga trycken som finns mellan 400 och 700 kilometer under jordens yta kan göra att olivinsten genomgår en fasomvandling till en tätare bergart som kallas spinell. Detta är analogt med hur kol kan förvandlas till diamant, vilket också sker djupt inne i jordens mantel.

Att gå från olivin till tätare spinell leder till minskningar av stenvolymen när atomer rör sig närmare varandra under stort tryck. Detta kan kallas "volymkollaps". Denna volymkollaps och den associerade "transformationella förkastningen" har ansetts vara den dominerande orsaken till djupfokuserade jordbävningar. Dock, tills nu, det fanns ingen modell baserad på volymkollaps som förutspådde de skjuvnings (distortionella) seismiska vågorna som faktiskt anländer till jordens yta under djupfokuserade jordbävningar. Av denna anledning övervägdes även andra modeller, och sakernas tillstånd förblev stillastående.

Markenscoff har nu löst detta mysterium med hjälp av grundläggande matematisk fysik och mekanik genom att upptäcka instabiliteter som uppstår vid mycket höga tryck. Den ena instabiliteten gäller formen på det expanderande området av transformerande berg och den andra instabiliteten gäller dess tillväxt.

För att de expanderande regionerna i denna fas transformation från olivin till spinell ska växa sig stora, dessa transformerande regioner med stor förtätning kommer att anta en tillplattad "pannkaksliknande" form som minimerar den energi som krävs för att den förtätade regionen ska fortplanta sig i det otransformerade mediet när det växer sig stort. Detta är ett symmetribrytningsläge som kan uppstå under de mycket höga tryck som finns där djupfokuserade jordbävningar uppstår, och det är denna symmetribrytning som skapar skjuvdeformationen som är ansvarig för skjuvvågorna som når jordens yta. Tidigare, forskare antog symmetribevarande sfärisk expansion, vilket inte skulle resultera i skjuvseismiska vågor. De visste inte att symmetri skulle tillåtas brytas.

"Att bryta den sfäriska symmetrin i formen på den transformerande stenen minimerar den energi som krävs för att fastransformationens utbredningsområde ska växa sig stort, " sade Markenscoff. "Du spenderar inte energi på att flytta ytan på en stor sfär, men bara omkretsen."

Dessutom, Markenscoff förklarade att inom det expanderande området för fasomvandling av berg, det finns ingen partikelrörelse och ingen kinetisk energi (det är en "lacuna"), och, Således, energin som strålar ut är maximerad. Detta förklarar varför de seismiska vågorna kan komma till ytan, snarare än att mycket av energin försvinner i jordens inre.

Markenscoffs analytiska modell för deformationsfälten för den expanderande seismiska källan är baserad på den dynamiska generaliseringen av den seminala Eshelby (1957) inkluderingen som uppfyller lakunateoremet (Atiya et al, 1970). Energetiken i det expanderande området av fastransformation styrs av Noethers (1918) teorem om teoretisk fysik genom vilken hon fick de instabiliteter som skapar en växande och snabbt rörlig lavin av kollapsande volym under tryck. Detta är den andra upptäckta instabiliteten (beträffande tillväxt):när en godtyckligt liten förtätad tillplattad region har utlösts, under en kritisk press kommer den att fortsätta växa utan att behöva ytterligare energi. (Det fortsätter bara att kollapsa "som ett korthus".) Alltså, mysteriet är löst:även om det är en skjuvkälla, Det som driver djupfokuserad jordbävningsutbredning är trycket som verkar på volymförändringen.

När hon blev ombedd att reflektera över hennes upptäckt att jordbävningar med djup fokus kunde beskrivas med de teoremer som är grunden för matematisk fysik, Hon sa, "Jag känner att jag har knutit till naturen. Jag har upptäckt skönheten i hur naturen fungerar. Det är första gången i mitt liv. Innan det var att sätta ett litet steg på någon annans steg. Jag kände denna enorma glädje."

Relevant upptäckt

De djupfokuserade jordbävningarna är bara ett av de fenomen där dessa instabiliteter visar sig. De förekommer också i andra fenomen med dynamiska fastransformationer under höga tryck, såsom planetariska nedslag och amorfisering. I dag, det finns nya experimentanläggningar som National Ignition Facility (NIF) som förvaltas av Lawrence Liver National Laboratory där forskare kan studera material under extremt höga tryck som var omöjliga att testa tidigare.

Det nya verket från Markenscoff ger en viktig demonstration och påminnelse om att för att få djupare förståelse för naturens mysterier ofta krävs de insikter som kan uppnås genom att utnyttja grunderna i matematisk fysik tillsammans med experimentell forskning gjord under extrema förhållanden.

Faktiskt, Markenscoff var medarrangör av två National Science Foundation (NSF) finansierade workshops vid UC San Diego 2016 och 2019 som sammanförde geofysiker och seismologer med mekaniker för att säkerställa att dessa forskargrupper förblir medvetna om de metoder och tekniker som utvecklats inom mekanik.

"Våra utbildningssystem bör fortsätta att investera i undervisningen i vetenskapens grunder som grundpelare för att främja kunskap, vilket kan uppnås genom tvärvetenskaplig konvergens av teori, experiment och datavetenskap, sa Markenscoff.

Hon noterade också vikten av det forskningsstöd hon har fått genom åren från US National Science Foundation (NSF).

"Att veta att min NSF-programledare trodde att det var möjligt att lösa detta "mysterium" och finansierade mig, stärkte både mitt självförtroende och min beslutsamhet att hålla ut", sa Markenscoff. "Jag påpekar detta som en påminnelse för oss alla. Det är också viktigt att vi ger en tankeväckande och välgrundad uppmuntran till våra studenter och kollegor. Att veta att människor som du respekterar tror på dig och ditt arbete kan vara väldigt kraftfullt."