岩に力を入れる

Jun 02, 2024

特注のリグを使用すると、岩石サンプルを地球の深部で経験するレベルのひずみにさらすことができます

「私はプレートテクトニクスの起源に常に興味を持っていました」とセントポールワシントン大学芸術科学部地球惑星科学科の助教授フィリップ・スケマー博士は語った。 ルイス。

「プレートテクトニクスは、私たちが地球の表面で経験するほぼすべての地質学的現象に直接的または間接的に関与しています。」

「しかし、大学院に入学したとき、プレートテクトニクスについて私が抱いていた質問の多くは、ロックハンマーやコンピューターを使って答えることができないことに気づきました。 問題の核心に迫るには、実験室での実験が本当に必要でした。」

しかし、彼がすぐに理解したように、地球のマントルの状態を地表で再現できる機器は存在しませんでした。 そこで彼は、国立科学財団の助成金の助けを借りて、「大容量ねじり装置」と呼ぶ独自の機械を構築しました。

問題

地表の岩石はもろく、ハンマーで叩くと割れてしまいます。 しかし、地表よりもさらに高温で圧力がはるかに高い深部では、壊れることなく変形することができます。 それらはクリープまたは流動し、硬い固体というよりも流体のように動作します。

この流れは、大陸と海底を構成する大きな岩のいかだの重々しい動きとして表面に現れます。 流れるマントルの岩石はこれらのプレートを引きずり、あちこちに引っ張ったり押したりします。

「岩石の粘性はプレートテクトニクスを理解する上で重要です」とスケマー氏は言う。 「十分に高い温度と圧力では、岩石は他の流体と同様に粘性を持ちます。 しかし、上部マントルの岩石の粘度は 1019 または 1020 パスカル秒であるのに対し、水の粘度は約 10-3 パスカル秒です。 その違いは非常に大きいです。 20桁以上の大きさです。

科学者は実験を行うことで、さまざまな条件下でのマントル物質の粘度を推定できます。 しかし、実験データを危険なほど外挿せずに粘度を導き出すには、岩石を広範囲の変形条件にさらすことができなければなりません。

「長い間、人々は円筒形の岩石サンプルを圧縮する装置を使って実験を行っていました」とスケマー氏は言う。 「シリンダーを押すと、シリンダーを 50 パーセント短縮、つまり 50 パーセント緊張させることができるかもしれません。 しかし、50パーセントは地球にとっては何の役にも立ちません。

「野外に出れば、2,000パーセント以上のひずみまで変形した岩石を簡単に見つけることができます」と彼は言う。 多くの臨界変形プロセスは、非常に大きなひずみが達成されるまで発生しません。

新しいリグ

このようなレベルのひずみに達するために、スケマー氏はサンプルを押し付けるだけでなくひねる岩石変形装置を構築しました。 「岩の円筒をひねれば、永遠にねじることができます」と彼は言いました。 「どれだけ変形できるかに幾何学的な制限はありません。」

「欲しい楽器をただ買うわけにはいきませんでした」とスケマー氏は語った。 「学術分野が非常に狭いため、市販されている岩石変形装置はありません。

「幸いなことに、やりたいことは何でもできる装置を構築できる機器が世の中に溢れています」と、趣味で工業用品のカタログを読むことを認めたスケマー氏は言う。

彼の新しいリグは、100 トンの油圧プレス内の直径約 4 分の 1 インチの炭化タングステン製アンビルの間に岩石サンプルを捕捉します。 圧力がかかると、もともと跳ね橋を持ち上げるなどの作業用に設計されたネジアクチュエーターが下からねじります。 スキーマーはアクチュエーターのギアを約 500,000:1 に下げ、トルクをゆっくりと加えることができます。

「6 ギガ パスカル (GPa) が私の目標圧力です」とスケマー氏は言いました。 「それは1平方インチあたり約87万ポンドです。 別の言い方をすると、435 トンの力、つまり積載された 747 型機の重量に相当し、切手サイズの領域を押し下げることになります。 地球の中心は約 360 GPa ですが、6 GPa だと 250 キロメートル下、構造プレートの根元まで移動します。」