Esses misteriosos terremotos se originam entre 400 e 700 quilômetros abaixo da superfície da Terra e foram registrados com magnitudes de até 8,3 na escala Richter.
Xanthippi Markenscoff, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Escola de Engenharia da Universidade da Califórnia, é a pessoa que resolveu esse mistério. Seu artigo “Instabilidades de colapso de volume em terremotos profundos: uma fonte de cisalhamento nucleada e impulsionada por pressão” foi publicado no Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
O termo terremoto de foco profundo se refere ao fato de que este tipo de terremoto se origina nas profundezas do manto da Terra, onde as forças de pressão são muito altas. Desde que os terremotos de foco profundo foram identificados pela primeira vez em 1929, os pesquisadores vêm tentando entender quais processos os causam. Os pesquisadores pensaram que as altas pressões produziriam uma implosão que produziria intuitivamente ondas de pressão. No entanto, eles não foram capazes de conectar os pontos entre a alta pressão e o tipo específico de ondas sísmicas – chamadas ondas sísmicas de cisalhamento (ou distorção) – produzidas por terremotos de foco profundo. (Você pode sentir a energia de distorção se segurar seu antebraço e depois torcê-lo.)
Em seu novo artigo, Markenscoff completa sua explicação desse mistério que ocorre sob pressões ultra-altas. Ela desvendou o mistério em uma série de artigos a partir de 2019. Além disso, sua solução oferece uma visão sobre muitos outros fenômenos, como impactos planetários e formação planetária que compartilham processos geofísicos semelhantes.
“Este é um exemplo perfeito de como a modelagem matemática profunda rigorosamente enraizada na mecânica e na física pode nos ajudar a resolver os mistérios da natureza. O trabalho do professor Markenscoff pode ter um impacto profundo não apenas em como entendemos terremotos de foco profundo, mas também em como podemos controlá-los usar transformações de fase dinâmica em materiais de engenharia para nosso benefício”, disse Huajian Gao, um distinto professor da Universidade Tecnológica de Nanyang de Cingapura e editor do Jornal de Mecânica e Física dos Sólidos, onde o artigo de Markenscoff aparece.
Da transformação da rocha ao terremoto
É bem conhecido que as altas pressões que existem entre 400 e 700 quilômetros abaixo da superfície da terra podem fazer com que a rocha de olivina passe por uma transformação de fase em um tipo de rocha mais densa chamada espinélio. Isso é análogo a como o carvão pode se transformar em diamante, o que também acontece nas profundezas do manto da Terra.
Ir de olivina para espinélio mais denso leva a reduções no volume da rocha à medida que os átomos se movem mais próximos uns dos outros sob grande pressão. Isso pode ser chamado de “colapso de volume”. Este colapso de volume e a “falha transformacional” associada foram considerados a causa predominante para terremotos de foco profundo. No entanto, até agora, não havia nenhum modelo baseado no colapso de volume que previsse as ondas sísmicas de cisalhamento (distorção) que realmente chegam à superfície da Terra durante terremotos de foco profundo. Por esta razão, outros modelos também foram considerados, e o estado de coisas permaneceu estagnado.
Markenscoff agora resolveu esse mistério usando a física e a mecânica matemática fundamental, descobrindo instabilidades que ocorrem em pressões muito altas. Uma instabilidade diz respeito à forma da região em expansão da rocha em transformação e a outra instabilidade diz respeito ao seu crescimento.
Para que as regiões em expansão desta transformação de fase de olivina em espinela cresçam, essas regiões de transformação com grande densificação assumirão uma forma achatada “semelhante a uma panqueca” que minimiza a energia necessária para a região densificada se propagar no meio não transformado à medida que cresce ampla. Este é um modo de quebra de simetria que pode ocorrer sob as pressões muito altas que existem onde os terremotos de foco profundo se originam, e é essa quebra de simetria que cria a deformação de cisalhamento responsável pelas ondas de cisalhamento que atingem a superfície da Terra. Anteriormente, os pesquisadores presumiam uma expansão esférica de preservação de simetria, o que não resultaria nas ondas sísmicas de cisalhamento. Eles não sabiam que a simetria poderia ser quebrada.
“Romper a simetria esférica da forma da rocha em transformação minimiza a energia necessária para que a região de propagação da transformação de fase cresça”, disse Markenscoff. “Você não gasta energia para mover a superfície de uma grande esfera, mas apenas o perímetro.”
Além disso, Markenscoff explicou que dentro da região de expansão da transformação de fase da rocha, não há movimento de partículas e nem energia cinética (é uma “lacuna”), e, assim, a energia que irradia para fora é maximizada. Isso explica por que as ondas sísmicas podem chegar à superfície, em vez de grande parte da energia se dissipar no interior da Terra.
O modelo analítico de Markenscoff para os campos de deformação da fonte sísmica em expansão é baseado na generalização dinâmica da inclusão seminal de Eshelby (1957) que satisfaz o teorema da lacuna (Atiya et al, 1970). A energética da região em expansão da transformação de fase é governada pelo teorema da física teórica de Noether (1918), por meio do qual ela obteve as instabilidades que criam uma avalanche crescente e rápida de volume em colapso sob pressão. Esta é a segunda instabilidade descoberta (em relação ao crescimento): uma vez que uma região achatada densificada arbitrariamente pequena tenha sido acionada, sob uma pressão crítica ela continuará a crescer sem precisar de mais energia. (Ele continua desmoronando “como um castelo de cartas”.) Assim, o mistério é resolvido: embora seja uma fonte de cisalhamento, o que impulsiona a propagação do terremoto de foco profundo é a pressão que atua na mudança de volume.
Quando solicitada a refletir sobre sua descoberta de que terremotos de foco profundo podem ser descritos com os teoremas que são a base da física matemática, ela disse: “Sinto que me vinculei à natureza. Descobri a beleza de como a natureza funciona. É a primeira vez na minha vida. Antes de colocar um pequeno passo nos passos de outra pessoa. Senti uma alegria imensa.”
Descoberta relevante
Os terremotos de foco profundo são apenas um dos fenômenos nos quais essas instabilidades se manifestam. Eles também ocorrem em outros fenômenos de transformações de fase dinâmica sob altas pressões, como impactos planetários e amorfização. Hoje, existem novas instalações experimentais, como o National Ignition Facility (NIF), administrado pelo Lawrence Liver National Laboratory, no qual os pesquisadores podem estudar materiais sob pressões extremamente altas que antes eram impossíveis de testar.
O novo trabalho de Markenscoff fornece uma importante demonstração e lembrete de que obter uma compreensão mais profunda dos mistérios da natureza muitas vezes requer os insights que podem ser obtidos aproveitando os fundamentos da física matemática junto com a pesquisa experimental feita em condições extremas.
Na verdade, Markenscoff co-organizou dois workshops financiados pela National Science Foundation (NSF) na Universidade da Califórnia em 2016 e 2019 que reuniu geofísicos e sismólogos com mecânicos para garantir que essas comunidades de pesquisa permaneçam cientes das metodologias e técnicas desenvolvidas em mecânica.
“Nossos sistemas de ensino devem continuar investindo no ensino dos fundamentos da ciência como pilares para o avanço do conhecimento, que pode ser alcançado pela convergência interdisciplinar de teoria, experimentos e ciência de dados”, disse Markenscoff.
Ela também destacou a importância do apoio à pesquisa que recebeu ao longo dos anos da US National Science Foundation (NSF).
“Saber que meu gerente de programa da NSF acreditava que era possível resolver esse ‘mistério’ e me financiar, reforçou minha confiança e minha determinação em perseverar”, disse Markenscoff. “Aponto isso como um lembrete para todos nós. Também é fundamental que demos um incentivo atencioso e ponderado aos nossos alunos e colegas. Saber que as pessoas que você respeita acreditam em você e no seu trabalho pode ser muito poderoso.”
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