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Científicos encuentran la imagen sísmica es ciego al agua

Cuando ocurre un terremoto, cerca de sismómetros recoger sus vibraciones en forma de ondas sísmicas. Además de revelar el epicentro de un terremoto, las ondas sísmicas se puede dar a los científicos una manera de mapa de la estructura interior de la Tierra, como una tomografía computarizada de imágenes del cuerpo.

Mediante la medición de la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas, a diferentes profundidades, los científicos pueden determinar los tipos de rocas y otros materiales que se encuentran por debajo de la superficie de la Tierra. La exactitud de dicha sísmica de los mapas depende de los científicos a la comprensión de cómo los distintos materiales que afectan a las ondas sísmicas velocidad.

Ahora, los investigadores del MIT y la Universidad Nacional de Australia han encontrado que las ondas sísmicas son esencialmente ciega, muy común en la sustancia que se encuentra en todo el interior de la Tierra: el agua.

Sus resultados, publicados hoy en la revista la Naturaleza, ir en contra de una hipótesis general que sísmica puede tomar las muestras de agua de profundidad dentro de la Tierra del manto superior. De hecho, el equipo encontró que incluso pequeñas cantidades de agua no tienen ningún efecto sobre la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas.

Los resultados pueden ayudar a los científicos a reinterpretar sísmica mapas del interior de la Tierra. Por ejemplo, en lugares como midocean crestas, el magma de las profundidades de la Tierra estalla a través de enormes grietas en el fondo del mar, extendiéndose lejos de la cordillera, y, finalmente, la solidificación como nueva corteza oceánica.

El proceso de fusión en decenas de kilómetros debajo de la superficie elimina pequeñas cantidades de agua que se encuentran en las rocas a una profundidad mayor. Los científicos han pensado que sísmica imágenes mostraron el “wet-dry” de transición, correspondiente a la transición a la rigidez de las placas tectónicas a deformable manto debajo. Sin embargo, los resultados sugieren que la imagen sísmica se pueden recoger muestras de no agua, sino que, al derretirse pequeños bolsillos de roca fundida.

“Si vemos muy fuertes variaciones [en las velocidades sísmicas], es más probable que son debido a derretir”, dice Ulrich Faul, un científico de investigación en el MIT, del Departamento de la Tierra, Atmosféricas y Ciencias Planetarias. “El agua, en base a estos experimentos, ya no es un jugador importante en ese sentido. Esto va a cambiar la forma de interpretar las imágenes del interior de la Tierra.”

Faul del co-autores son el principal autor Christopher Cline, junto con Emmanuel David, Andrew Berry, y Ian Jackson, de la Universidad Nacional de Australia.

Un sísmica twist

Faul, Cline, y sus colegas originalmente establecidos para determinar exactamente cómo el agua afecta a las velocidades de las ondas sísmicas. Se supone, como la mayoría de los investigadores, que sísmica puede “ver” el agua, en forma de grupos hidroxilo dentro de los granos minerales en las rocas, y como escala molecular bolsillos del agua atrapada entre estos granos. El agua, incluso en pequeñas cantidades, se ha conocido a debilitar las rocas profundas en el interior de la Tierra.

“se sabía que el agua tiene un fuerte efecto en cantidades muy pequeñas en las propiedades de las rocas,” Faul dice. “A partir de ahí, la conclusión fue que el agua también afecta a las ondas sísmicas velocidad mucho.”

medir el grado en que el agua afecta a las velocidades de las ondas sísmicas, el equipo produjo diferentes muestras de olivino — un mineral que constituye la mayoría de la Tierra del manto superior y determina sus propiedades. Ellos atrapados en diferentes cantidades de agua dentro de cada muestra, y luego se colocan las muestras de una en una en una máquina diseñada para lentamente gire una roca, similar a la torsión de una banda de goma. Los experimentos fueron realizados en un horno a altas presiones y temperaturas, con el fin de simular las condiciones de profundidad dentro de la Tierra.

“Hacemos girar la muestra en un extremo y medir la magnitud y el tiempo de retardo de la tensión resultante en el otro extremo,” Faul dice. “Esto simula la propagación de las ondas sísmicas a través de la Tierra. La magnitud de esta variedad es similar a la anchura de una delgada cabello humano — no es muy fácil de medir, a una presión de 2.000 veces la presión atmosférica y una temperatura que se aproxima a la temperatura de fusión del acero.”

El equipo esperaba encontrar una correlación entre la cantidad de agua en una muestra dada y la velocidad a la que las ondas sísmicas se propague a través de la muestra. Cuando las muestras iniciales no muestran el comportamiento esperado, los investigadores modificaron la composición y se mide de nuevo, pero se mantuvo conseguir el mismo resultado negativo. Finalmente se hizo ineludible que la hipótesis inicial era incorrecta.

“Desde nuestro [girar] las mediciones, las rocas se comportaban como si estuvieran secos, incluso a pesar de que pudimos analizar el agua de allí,” Faul dice. “En ese momento, sabíamos que el agua no hace ninguna diferencia.”

Una roca, encerrado

Otro resultado inesperado de los experimentos fue que la velocidad de la onda sísmica parecía depender de una roca estado de oxidación. Todas las rocas en la Tierra contienen ciertas cantidades de hierro, en varios estados de oxidación, así como hierro metálico en un coche puede oxidarse cuando se expone a cierta cantidad de oxígeno. Los investigadores encontraron que, casi sin querer, que la oxidación de hierro en el olivino afecta a la forma en que viajan las ondas sísmicas a través de la roca.

Cline y Faul llegó a esta conclusión después de tener que volver a configurar su instalación experimental. Para llevar a cabo sus experimentos, el equipo lo encierra cada muestra de roca en un cilindro hecho de níquel y hierro. Sin embargo, en la medición de cada muestra contenido de agua en el cilindro, se encontraron con que los átomos de hidrógeno en el agua tiende a salir de la roca, a través de la carcasa de metal. Para contener hidrógeno, ellos cambiaron su carcasa de un hecho de platino.

Para su sorpresa se encontró que el tipo de metal que rodea a las muestras afectadas sus sísmica propiedades. Aparte de los experimentos mostraron que, de hecho, lo que cambió fue la cantidad de Fe3+ en olivino. Normalmente, el estado de oxidación del hierro en el olivino es 2+. Como resultado de esto, la presencia de Fe3+ se produce imperfecciones que afectan a velocidades de las ondas sísmicas.

Faul dice que el grupo hallazgos sugieren que las ondas sísmicas pueden ser utilizados para asignar los niveles de oxidación, tales como en zonas de subducción — regiones en la Tierra, donde las placas oceánicas hunde en el manto. Basado en sus resultados, sin embargo, la imagen sísmica no puede ser utilizado para la imagen de la distribución de agua en el interior de la Tierra. Lo que algunos científicos interpretan como agua de mayo en el hecho de ser derretir — una idea que puede cambiar nuestra comprensión de cómo la Tierra se desplaza sus placas tectónicas a lo largo del tiempo.

“Una pregunta que subyace es lo que lubrica las placas tectónicas en la Tierra,” Faul dice. “Nuestro trabajo apunta hacia la importancia de las pequeñas cantidades de fundirse en la base de las placas tectónicas, en lugar de un húmedo manto debajo de placas secas. En general, estos resultados pueden ayudar a iluminar volátiles ciclismo entre el interior y la superficie de la Tierra.”

Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias.

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