Personne ne peut voyager à l'intérieur de la terre pour étudier ce qui s'y passe. Les scientifiques doivent donc faire de leur mieux pour reproduire les conditions du monde réel à l'intérieur du laboratoire.

"Nous nous intéressons aux processus géophysiques à grande échelle, comme l'initiation de la tectonique des plaques et la façon dont les plaques se déplacent les unes sous les autres dans les zones de subduction, " a déclaré David Goldsby, professeur agrégé à l'Université de Pennsylvanie. "Pour faire ça, nous devons comprendre le comportement mécanique de l'olivine, qui est le minéral le plus commun dans le manteau supérieur de la terre."

Goldsby, en collaboration avec Christopher A. Thom, un doctorant à Penn, ainsi que des chercheurs de l'Université de Stanford, l'Université d'Oxford et l'Université du Delaware, a maintenant résolu une question de longue date dans ce domaine de recherche. Alors que des expériences de laboratoire précédentes ont abouti à des estimations très disparates de la force de l'olivine dans le manteau lithosphérique de la terre, la partie relativement froide et donc forte du manteau supérieur de la Terre, le nouveau travail, publié dans la revue Avancées scientifiques , résout les disparités précédentes en constatant que, plus la granulométrie de l'olivine testée est petite, plus c'est fort.

Parce que l'olivine dans le manteau terrestre a une taille de grain plus grande que la plupart des échantillons d'olivine testés en laboratoire, les résultats suggèrent que le manteau, qui comprend jusqu'à 95 pour cent des plaques tectoniques de la planète, est en fait plus faible qu'on ne le croyait autrefois. Cette image plus réaliste de l'intérieur peut aider les chercheurs à comprendre comment les plaques tectoniques se forment, comment ils se déforment lorsqu'ils sont chargés du poids de, par exemple, une île volcanique comme Hawaï, ou même comment les tremblements de terre commencent et se propagent.

Depuis plus de 40 ans, les chercheurs ont tenté de prédire la force de l'olivine dans le manteau lithosphérique de la terre à partir des résultats d'expériences en laboratoire. Mais les tests en laboratoire sont de nombreuses couches retirées des conditions à l'intérieur de la terre, où les pressions sont plus élevées et les taux de déformation sont beaucoup plus lents qu'en laboratoire. Une complication supplémentaire est que, aux températures relativement basses de la lithosphère terrestre, la résistance de l'olivine est si élevée qu'il est difficile de mesurer sa résistance plastique sans fracturer l'échantillon. Les résultats des expériences existantes sont très variés, et ils ne correspondent pas aux prédictions de la force de l'olivine à partir de modèles et d'observations géophysiques.

Pour tenter de résoudre ces divergences, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de nanoindentation, qui sert à mesurer la dureté des matériaux. Mettre tout simplement, les chercheurs mesurent la dureté d'un matériau, qui est lié à sa force, en appliquant une charge connue à une pointe de pénétrateur en diamant en contact avec un minéral, puis en mesurant à quel point le minéral se déforme. Alors que des études antérieures ont utilisé divers appareils de déformation à haute pression pour maintenir les échantillons ensemble et les empêcher de se fracturer, une configuration compliquée qui rend les mesures de force difficiles, la nanoindentation ne nécessite pas un appareil aussi complexe.

"Avec la nanoindentation, " Goldsby a dit, "l'échantillon devient en effet son propre récipient sous pression. La pression hydrostatique sous la pointe du pénétrateur maintient l'échantillon confiné lorsque vous appuyez la pointe dans la surface de l'échantillon, laisser l'échantillon se déformer plastiquement sans fracture, même à température ambiante."

Réaliser 800 expériences de nanoindentation dans lesquelles ils ont fait varier la taille de l'indentation en faisant varier la charge appliquée à la pointe de diamant enfoncée dans l'échantillon, l'équipe de recherche a constaté que plus la taille du retrait est petite, le plus dur, et donc plus fort, l'olivine est devenue.

"Cet effet de taille d'indentation avait été observé dans de nombreux autres matériaux, mais nous pensons que c'est la première fois qu'il est montré dans un matériau géologique, " dit Goldsby.

En regardant en arrière les données de résistance précédemment collectées pour l'olivine, les chercheurs ont déterminé que les écarts dans ces données pouvaient s'expliquer en invoquant un effet de taille connexe, grâce à quoi la force de l'olivine augmente avec la diminution de la taille des grains des échantillons testés. Lorsque ces données de résistance antérieures ont été tracées en fonction de la taille des grains dans chaque étude, toutes les données correspondent à une tendance lisse qui prédit des forces plus faibles que prévu dans le manteau lithosphérique de la Terre.

Dans un article connexe de Thom, Goldsby et ses collègues, publié récemment dans la revue Geophysical Research Letters, les chercheurs ont examiné les modèles de rugosité dans les failles qui sont devenues exposées à la surface de la terre en raison du soulèvement des plaques et de l'érosion.

"Différentes failles ont une rugosité similaire, et il y a une idée publiée récemment qui dit que vous pourriez obtenir ces motifs parce que la résistance des matériaux sur la surface de la faille augmente avec la diminution de l'échelle de rugosité, " a déclaré Thom. "Ces modèles et le comportement de friction qu'ils provoquent pourraient nous dire quelque chose sur la façon dont les tremblements de terre se nucléent et comment ils se propagent."

Dans les travaux futurs, les chercheurs de Penn et leur équipe aimeraient étudier les effets taille-force dans d'autres minéraux et également se concentrer sur l'effet de l'augmentation de la température sur les effets de taille dans l'olivine.