Parmi les géologues qui étudient les puissants tremblements de terre et volcans, il y a un mystère :alors qu'une des plaques tectoniques de la Terre glisse sous une autre dans une zone de subduction, l'eau est extraite de certains minéraux, lubrifier les tremblements de terre et alimenter les volcans dans des points chauds comme le « anneau de feu » de l'océan Pacifique. Mais les équations qui prédisent où les forces de subduction essorent l'eau de la pierre pointent systématiquement vers des endroits éloignés du site des cataclysmes réels.

En appliquant une nouvelle technique de spectroscopie à des grenats contenant des fragments de quartz, Le pétrologue métamorphique Frank Spear du Rensselaer Polytechnic Institute pense avoir résolu l'énigme. Ses premières recherches montrent que les équations sont incomplètes, manquant de la variable significative de "dépassement, " l'énergie supplémentaire nécessaire pour initier un processus, dans ce cas, la décomposition des minéraux aqueux.

"Le vrai coupable des puissants volcans et tremblements de terre est l'eau, mais les scientifiques ont été incapables de déterminer d'où vient cette eau, " dit Spear, professeur et directeur du département Rensselaer des sciences de la terre et de l'environnement. "Les équations thermodynamiques conventionnelles prédisent que l'eau est libérée à une profondeur trop faible pour se produire aux emplacements connus des volcans et des tremblements de terre. Mais lorsque vous tenez compte du dépassement que nous avons découvert, les emplacements coïncident. L'idée de dépasser est un énorme changement de paradigme."

Ses recherches sont financées par une bourse de 419 $ sur trois ans, 247 bourse de la National Science Foundation.

Lorsqu'une plaque tectonique est poussée sous une autre dans une zone de subduction, les sédiments et les minéraux sont transportés profondément dans la Terre, avec montage en pression et température avec profondeur croissante. Au début du processus, l'eau liquide est extraite des espaces interstitiels entre les roches, mais de nombreux minéraux - tels que les micas, serpentines, et les chlorites - contiennent de l'eau dans le cadre de leur structure minérale. Chlorite, par exemple, contient environ 10 pour cent d'eau en poids. Lorsque les minéraux aqueux succombent finalement à une température et une pression accrues, ils libèrent de l'eau.

L'eau agit comme un lubrifiant dans la zone de faille créée entre deux plaques, réduire la contrainte sur la faille et permettre le glissement des plaques les unes sur les autres, produisant un tremblement de terre. Les zones de subduction produisent certains des tremblements de terre les plus importants et les plus destructeurs au monde; le plus grand séisme de magnitude jamais enregistré - un séisme de magnitude 9,5 en 1960 près de Valdivia, Chili - s'est produit dans une zone de subduction. L'eau agit également comme un flux sur la roche environnante, abaisser la température de fusion de la roche, qui fond en magma qui monte à la surface et éclate comme un volcan.

Au point où l'eau est libérée, il crée des indices que Spear remonte à son origine. De nouveaux minéraux se forment dans la croûte en métamorphose, dont le grenat, qui est produit par la décomposition du chlorite aquifère. Le grenat se forme sous pression, et parfois, comme il le fait, il emprisonne dans son emprise des fragments de minéraux environnants, fragments qui conservent un enregistrement de la pression sous laquelle le grenat s'est formé. Spear a trouvé de tels grenats, qui s'est formé autour de minuscules fragments de quartz, sur une île des Cyclades grecques.

Dans son laboratoire, Spear et ses étudiants diplômés ont utilisé la spectroscopie Raman - couramment utilisée en chimie pour identifier la composition moléculaire d'un échantillon - pour examiner le quartz incrusté dans le grenat. En spectroscopie Raman, la lumière laser est projetée sur un échantillon, et l'énergie des photons est décalée vers le haut ou vers le bas en fonction des interactions entre la lumière et l'échantillon. La différence entre la fréquence de la lumière sortante et de retour fournit une signature de structure définitive.

Le quartz à pression ambiante produit une signature bien connue. Mais le pic de la signature du quartz dans les échantillons des Cyclades a été déplacé vers une valeur plus élevée, indiquant la pression sur le grain. Parce que le décalage du signal Raman du quartz a été soigneusement calibré, Spear a pu l'utiliser pour déterminer la pression, et donc la profondeur et la température, à laquelle le grenat s'est cristallisé autour du quartz.

"Ce que nous avons découvert en faisant cela, c'est que le grenat ne se forme pas à la faible profondeur prévue par les calculs thermodynamiques, mais bien plus bas, près de l'origine des volcans et des tremblements de terre, " dit Spear.

La découverte indique également que le grenat ne cristallise pas à l'équilibre, de même que la base des calculs thermodynamiques prédisant ce processus. Cette, dit Lance, "C'était une surprise totale." Alors que l'initiation de la plupart des processus nécessite une énergie d'activation - ou un dépassement - dans une certaine mesure, les chercheurs ont toujours supposé que l'énergie d'activation pour initier la nucléation du grenat serait insignifiante. Mais les résultats suggèrent un dépassement significatif de 50 à 70 degrés Celsius.

La recherche initiale, publié dans une série d'articles commençant en 2014, était basé sur trois échantillons provenant d'un même site à Sifnos. Le nouveau financement soutiendra une enquête plus large utilisant 10 à 20 échantillons prélevés à cinq endroits distincts, pour déterminer si les résultats étaient « une bizarrerie, ou une vérité universelle".

Les recherches de Spear répondent à la nouvelle école polytechnique, un paradigme émergent pour l'enseignement supérieur qui reconnaît que les défis et les opportunités mondiaux sont si grands qu'ils ne peuvent pas être traités de manière adéquate même par la personne la plus talentueuse travaillant seule. Rensselaer sert de carrefour pour la collaboration—travaillant avec des partenaires de toutes les disciplines, secteurs, et les régions géographiques—pour relever des défis mondiaux complexes, en utilisant les outils et technologies les plus avancés, dont beaucoup sont développés à Rensselaer. La recherche à Rensselaer aborde certains des défis technologiques les plus urgents au monde, de la sécurité énergétique et du développement durable à la biotechnologie et à la santé humaine. Le New Polytechnic est transformateur dans l'impact mondial de la recherche, dans sa pédagogie innovante, et dans la vie des étudiants de Rensselaer.