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工程教授解决了深层地震之谜

这些神秘的地震发源于地球表面以下400至700公里之间,记录的震级高达里氏8.3级。

解决这个谜题的人是Xanthippi Markenscoff,他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械和航空航天工程系的杰出教授。她的论文“深部地震中的体积坍塌不稳定性:受压成核并由压力驱动的剪切源”发表在《固体力学与物理学》杂志上。

术语“深层地震”是指这种地震起源于地幔深处,那里地幔压力很高。自从1929年首次确定深层地震以来,研究人员一直在试图了解造成地震的原因。研究人员认为,高压会产生内爆,从而直观地产生压力波。但是,他们无法将高压与深焦点地震产生的特定类型的地震波(称为剪切(或变形)地震波)之间的点连接起来。(握住前臂然后扭动它会感到变形的能量。)

Markenscoff在她的新论文中完成了对这种在超高压下发生的神秘现象的解释。她从2019年开始在一系列论文中揭开了谜团。此外,她的解决方案还使人们深入了解了许多其他现象,例如具有相似地球物理过程的行星撞击和行星形成。

“这是一个完美的例子,说明严格扎根于力学和物理学的深层数学建模可以如何帮助我们解决自然界中的奥秘。Markenscoff教授的工作不仅会对我们如何理解深层地震产生深远影响,而且对我们如何可控地产生影响在工程材料中使用动态相变以使我们受益。”新加坡南洋理工大学杰出大学教授,《 Markescoff论文》发表的《固体力学与物理学》杂志编辑高华建说。

从岩石转变为地震

众所周知,在地表以下400至700公里之间存在的高压会导致橄榄石岩石发生相变,转变为致密类型的尖晶石。这类似于煤炭如何转化为钻石,钻石也发生在地球地幔深处。

从橄榄石变成致密的尖晶石会导致岩石体积减小,因为原子在很大的压力下彼此靠近。这可以称为“体积崩溃”。这种体积塌陷和相关的“变形断层”被认为是深层地震的主要原因。但是,到目前为止,还没有基于体积崩溃的模型来预测在深焦点地震中实际到达地球表面的剪切(变形)地震波。因此,还考虑了其​​他模型,并且事务状态仍然停滞不前。

Markenscoff现在通过发现在非常高的压力下发生的不稳定性,利用基本的数学物理学和力学解决了这个谜。一种不稳定性涉及转化岩石的扩展区域的形状,另一种不稳定性涉及其生长。

对于从橄榄石到尖晶石的相变的扩展区域,使其变大,这些具有大密度的转换区域将呈现扁平的“薄饼状”形状,从而最大限度地减少了致密区域在未转化的介质中传播所需的能量大。这是一种对称破坏模式,可以在深焦点地震发生的极高压力下发生,而正是这种对称破坏导致剪切变形导致了到达地球表面的剪切波。以前,研究人员假定保持对称性的球形膨胀不会导致剪切地震波。他们不知道对称性将被打破。

Markenscoff说:“打破变形岩石形状的球形对称性可以最大程度地减少相变传播区域变大所需的能量。” “您不会花费能量来移动大球体的表面,而只会移动外围。”

另外,Markenscoff解释说,在岩石的相变扩展区域内,没有粒子运动,也没有动能(它是“空隙”),因此,辐射出的能量被最大化。这就解释了为什么地震波可以到达地表,而不是大部分能量消散在地球内部。

Markenscoff对扩展震源变形场的分析模型是基于对Eshelby(1957)包含的经典定理(Atiya et al,1970)的动态概括。相变扩展区域的能量学受Noether(1918)理论物理学定理支配通过这种方式,她获得了不稳定性,这些不稳定性在压力下造成了坍塌体积的快速增长和快速崩塌。这是第二个发现的不稳定性(关于增长):一旦触发了任意小的密实扁平区域,在临界压力下它将继续增长,而无需更多的能量。(它只是像“纸牌屋”一样不断塌陷。)因此,谜底得以解决:尽管它是剪切源,但驱动深焦点地震传播的是作用在体积变化上的压力。

当被问及对她的发现进行深层地震可以用数学物理学的基石来描述时,她说:“我感觉自己与大自然紧密相连。我发现了大自然的作用之美。这是我一生中的第一次。在此之前,别人还没有迈出一步。我感到了极大的快乐。”

相关发现

深焦点地震只是这些不稳定性表现出来的现象之一。它们还出现在高压下的其他动态相变现象中,例如行星撞击和非晶化。如今,出现了新的实验设施,例如由劳伦斯·利物浦国家实验室(Lawrence Liver National Laboratory)管理的国家点火设施(NIF),研究人员能够在以前无法测试的极高压力下研究材料。

马肯斯科夫(Markenscoff)的新著作提供了重要的证明,并提醒人们,对自然之谜的深入了解通常需要洞察力,这些洞察力可以通过利用数学物理学的基础知识以及在极端条件下进行的实验研究而获得。

实际上,Markenscoff于2016年和2019年在圣地亚哥加州大学合组织了两次由国家科学基金会(NSF)资助的讲习班,这些研讨会将地球物理学家和地震学家与机械师召集在一起,以确保这些研究团体对机械学中开发的方法和技术有所了解。

马肯斯科夫说:“我们的教育系统应继续投资于科学基础知识的教学,以此作为知识发展的支柱,这可以通过理论,实验和数据科学的跨学科融合来实现。”

她还指出了多年来她从国家科学基金会(NSF)获得的研究支持的重要性。

马肯斯科夫说:“知道我的NSF计划经理相信有可能解决这个“谜团”并为我提供资金,既增强了我的信心,也坚定了我坚持不懈的决心。“我指出这一点是对我们所有人的提醒。同样重要的是,我们要对学生和同事给予周到和深思熟虑的鼓励。知道您所尊重的人会非常有力地相信您和您的工作。”

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