Μικροσκοπικά ελαττώματα σε κοινά ορυκτά μπορεί να αποκαλύψουν απροσδόκητα μοτίβα στον τρόπο με τον οποίο κινείται το εσωτερικό της Γης. Τα ορυκτά διαμορφώνουν αθόρυβα τον κόσμο γύρω μας, από τα πετρώματα κάτω από τα πόδια μας μέχρι το βαθύ εσωτερικό του πλανήτη. Στον πυρήνα τους βρίσκονται οι κρύσταλλοι, διατεταγμένες διατάξεις ατόμων που επαναλαμβάνονται σε ακριβή, τρισδιάστατα μοτίβα.
Αν και αυτές οι δομές μπορεί να φαίνονται άκαμπτες, είναι πολύ πιο δυναμικές από όσο δείχνουν.
Υπό συνθήκες έντονης πίεσης και θερμότητας, όπως αυτές που επικρατούν βαθιά στο εσωτερικό της Γης, οι κρύσταλλοι μπορούν να κάμπτονται και να ρέουν αντί να σπάζουν.
Η ικανότητα αυτή, πηγάζει από μικροσκοπικά ελαττώματα γνωστά ως εξαρθρώσεις (dislocations), μικρές ανωμαλίες στην ατομική δομή που λειτουργούν ως μικροσκοπικές ζώνες ολίσθησης.
Επιτρέπουν στο στερεό πέτρωμα να παραμορφώνεται αργά με την πάροδο του χρόνου, μια διαδικασία που τελικά βοηθά στην κίνηση των τεκτονικών πλακών. Σε ορισμένους κρυστάλλους οι εξαρθρώσεις είναι άφθονες, ενώ σε άλλους είναι σπάνιες και δύσκολο να εντοπιστούν. Η ανεύρεσή τους μπορεί να είναι τόσο δύσκολη όσο η αναζήτηση μιας βελόνας στα άχυρα.
Ο ολιβίνης, το πιο κοινό ορυκτό στα πρώτα 400 χιλιόμετρα του εσωτερικού της Γης, μελετάται εδώ και καιρό για τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνεται.
Οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει δύο κύριες κατευθύνσεις κίνησης των εξαρθρώσεων, με τις ονομασίες “a” και “c”. Μια τρίτη κατεύθυνση, γνωστή ως “b”, θεωρούνταν παραδοσιακά σπάνια και λιγότερο σημαντική.
Μια πρόσφατη μελέτη, με επικεφαλής έναν επιστήμονα από το Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ, επανεξέτασε αυτή την υπόθεση.
Η έρευνα είχε ως στόχο την καλύτερη κατανόηση του τρόπου παραμόρφωσης του ολιβίνη —μιας βασικής διαδικασίας που κινεί τις τεκτονικές πλάκες— και τον προσδιορισμό των τύπων εξαρθρώσεων που εμπλέκονται.
Προηγμένες τεχνικές μικροσκοπίας
Η ομάδα χρησιμοποίησε την Περίθλαση Οπισθοσκεδαζόμενων Ηλεκτρονίων (EBSD), μια προηγμένη μέθοδο μικροσκοπίας που χαρτογραφεί ανεπαίσθητες διαφορές στον κρυσταλλικό προσανατολισμό σε μικροσκοπική κλίμακα.
Η ανάλυσή τους έδειξε ότι περίπου το 17% των κρυστάλλων που εξετάστηκαν παρουσίαζαν παραμόρφωση συνδεδεμένη με τις προηγουμένως υποτιμημένες εξαρθρώσεις τύπου “b”.
Για να επιβεβαιώσουν αυτό το αποτέλεσμα, οι ερευνητές στράφηκαν στην Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (TEM), η οποία μπορεί να απεικονίσει απευθείας τις εξαρθρώσεις.
Εστιάζοντας σε περιοχές που η μέθοδος EBSD είχε επισημάνει ότι παρουσιάζουν ολίσθηση τύπου “b”, κατέγραψαν λεπτομερείς εικόνες που επαλήθευσαν ότι αυτές οι δομές ήταν όντως παρούσες.
Ο καθηγητής John Wheeler, της έδρας Γεωλογίας George Herdman στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ και κύριος συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Geophysical Research Letters, δήλωσε: «Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι αυτές οι εξαρθρώσεις μπορεί να είναι πιο διαδεδομένες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, βελτιώνοντας την κατανόησή μας για τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνεται ο μανδύας της Γης. Η παρουσία τους μπορεί να επηρεάζεται από την πίεση, τη θερμοκρασία και τα επίπεδα καταπόνησης.
Η μέτρηση των εξαρθρώσεων τύπου “b” σε φυσικά δείγματα θα μπορούσε, επομένως, να βοηθήσει τους επιστήμονες να προσδιορίσουν το βάθος της παραμόρφωσης και τις συνθήκες που επικρατούσαν κατά τη διάρκειά της».
Ευρύτερες εφαρμογές και μελλοντική έρευνα
Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης πώς η μέθοδος EBSD μπορεί να εντοπίσει γρήγορα περιοχές εντός των κρυστάλλων που αξίζουν λεπτομερέστερη εξέταση. Στη συνέχεια, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν εργαλεία υψηλότερης ανάλυσης, όπως το TEM, για να διερευνήσουν αυτές τις περιοχές με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Ο καθηγητής Wheeler πρόσθεσε: «Η προσέγγιση που χρησιμοποιήσαμε θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τις γεωλογικές διεργασίες στο εσωτερικό της Γης. Ενδέχεται επίσης να έχει ευρύτερες εφαρμογές στην επιστήμη των υλικών. Για παράδειγμα, ο ολιβίνης παρουσιάζει κρυσταλλικές ομοιότητες με τους περοβσκίτες, οι οποίοι έχουν πολυάριθμες βιομηχανικές χρήσεις. Ορισμένα υλικά, όπως οι ημιαγωγοί, περιέχουν εξαρθρώσεις λόγω της διαδικασίας κατασκευής τους, οι οποίες είναι επιβλαβείς για την απόδοσή τους, επομένως η αφθονία και η διάταξή τους πρέπει να διερευνηθούν».
