바위에 압착하기

Jun 02, 2024

맞춤 제작된 장비는 암석 샘플을 지구 내부 깊은 곳에서 경험하는 변형 수준 아래로 놓을 수 있습니다.

“나는 항상 판 구조론의 기원에 관심이 있었습니다.” 워싱턴 대학교 예술 및 과학 지구 및 행성 과학과 조교수인 필립 스케머(Philip Skemer) 박사는 말했습니다. 루이스.

“판 구조론은 우리가 지구 표면에서 경험하는 거의 모든 지질학적 현상에 직간접적으로 영향을 미칩니다.”

“그러나 대학원에 진학했을 때 판구조론에 관해 내가 묻는 질문 중 많은 부분이 암석 망치나 컴퓨터로는 답할 수 없다는 것을 깨달았습니다. 문제의 핵심을 파악하려면 실험실 실험이 꼭 필요했습니다.”

그러나 그가 빨리 알게 된 사실은 지구 맨틀의 조건을 표면에 재현할 수 있는 도구가 없다는 것이었습니다. 그래서 그는 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받아 대용량 비틀림 장치(Large Volume Torsion 장치)라고 부르는 자신만의 기계를 만들었습니다.

문제

지구 표면의 암석은 망치로 두드리면 깨지기 쉽고 부서집니다. 그러나 훨씬 더 뜨겁고 압력이 훨씬 더 큰 표면 아래 깊은 곳에서는 깨지지 않고 변형될 수 있습니다. 그들은 크리프하거나 흐르며 단단한 고체라기보다는 유체처럼 행동합니다.

흐름은 대륙과 해저를 구성하는 커다란 암석 뗏목의 육중한 움직임으로 표면에 나타납니다. 흐르는 맨틀 암석은 이 지각판을 끌고 이리저리 당기고 밀어냅니다.

Skemer는 “암석의 점도는 판 구조론을 이해하는 데 매우 중요합니다.”라고 말했습니다. “충분히 높은 온도와 압력에서 암석은 다른 유체와 마찬가지로 점성을 갖습니다. 그러나 상부 맨틀에 있는 암석의 점도는 1019 또는 1020파스칼초인 반면 물의 점도는 약 10-3파스칼초입니다. 그 차이는 엄청납니다. 20자릿수 이상.

과학자들은 실험을 통해 다양한 조건에서 맨틀 물질의 점도를 추정할 수 있습니다. 그러나 실험 데이터 이상으로 위험하게 추정하지 않고 점도를 도출하려면 암석을 광범위한 변형 조건에 노출시킬 수 있어야 합니다.

Skemer는 “오랫동안 사람들은 원통형 암석 샘플을 압축하는 장치로 실험을 해왔습니다.”라고 말했습니다. “실린더를 밀면 50% 단축될 수 있습니다. 즉, 50% 변형될 수 있습니다. 하지만 50%는 지구에 아무 것도 아닙니다.

“현장에 나가면 2,000% 이상의 변형으로 변형된 암석을 아주 쉽게 찾을 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. 매우 큰 변형이 달성될 때까지 많은 중요한 변형 과정이 발생하지 않습니다.

새로운 장비

이러한 변형 수준에 도달하기 위해 Skemer는 샘플을 비틀고 누르는 암석 변형 장치를 구축했습니다. “락 원통을 비틀면 영원히 비틀 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. "얼마나 변형할 수 있는지에 대한 기하학적 제한은 없습니다."

Skemer는 “그냥 나가서 내가 원하는 악기를 살 수는 없었습니다.”라고 말했습니다. “학문 분야가 너무 작기 때문에 상업적으로 이용 가능한 암석 변형 도구가 없습니다.

"다행히도 당신이 하고 싶은 모든 일을 할 수 있는 장치를 만들 수 있는 장비가 세상에 많이 있습니다"라고 Skemer는 말했습니다. 그는 재미삼아 산업 공급 카탈로그를 읽는 것을 인정합니다.

그의 새로운 장비는 100톤 유압 프레스 내 직경 약 1/4인치의 텅스텐 카바이드 모루 사이에 암석 샘플을 가두어 둡니다. 원래 도개교 리프팅과 같은 작업을 위해 설계된 스크류 액추에이터가 압력을 받으면 아래에서 비틀립니다. Skemer는 액추에이터의 기어를 약 500,000:1로 낮추어 토크가 천천히 적용될 수 있도록 했습니다.

Skemer는 "6기가 파스칼(GPa)이 나의 목표 압력입니다."라고 말했습니다. “평방 인치당 약 870,000파운드입니다. 다른 말로 하면 435톤의 힘, 즉 747기의 무게에 해당하며 우표 크기의 영역을 누르는 것입니다. 지구의 중심은 약 360GPa입니다. 그러나 6GPa는 지각판의 바닥까지 250km 아래로 이동합니다."라고 그는 말했습니다.