Jak geolodzy z MIT mapują ukryte warstwy Ziemi

Pęknięcia i pory biegnące przez skały, od skorupy ziemskiej po płaszcz ciekły, przypominają kanały i wgłębienia, przez które może rezonować dźwięk.

Naukowcy z MIT odkryli, że dźwięki pod naszymi stopami to odciski palców świadczące o stabilności skał.

Gdybyś mógł zanurkować w skorupie ziemskiej, mógłbyś, przy starannie nastawionym uchu, usłyszeć po drodze eksplozje i trzaski. Pęknięcia, pory i uskoki biegnące przez skały są jak struny, które rezonują pod wpływem nacisku. I jako zespół Instytut Technologii w Massachusetts Geolodzy odkryli, że rytm i tempo tych dźwięków może powiedzieć coś o głębokości i sile otaczających Cię skał.

„Jeśli posłuchasz skał, im głębiej zejdziesz, będą one śpiewać coraz wyżej” – mówi Matej Pietsch, geolog z Massachusetts Institute of Technology.

Beach i jego koledzy słuchają skał, aby zobaczyć, czy pojawiają się jakieś wzory dźwiękowe lub „odciski palców”, gdy są wystawione na działanie różnych ciśnień. W badaniach laboratoryjnych wykazano, że próbki marmuru poddane działaniu niskiego ciśnienia emitują niskie „trzaski”, podczas gdy przy wyższym ciśnieniu skały wytwarzają „lawinę” wysokich trzasków.

Praktyczne zastosowania

Beach twierdzi, że te wzorce akustyczne w skałach mogą pomóc naukowcom oszacować rodzaje pęknięć, szczelin i innych uskoków w głębi skorupy ziemskiej, które następnie można wykorzystać do identyfikacji niestabilnych obszarów pod powierzchnią, gdzie prawdopodobne są trzęsienia ziemi lub erupcje wulkanów. . Wyniki zespołu, opublikowane 9 października o godz Postępowanie Narodowej Akademii Naukmogłoby również pomóc w informowaniu o wysiłkach inspektorów zmierzających do poszukiwania odnawialnej energii geotermalnej.

„Jeśli chcemy wykorzystać bardzo gorące źródła geotermalne, będziemy musieli nauczyć się wiercić w skale znajdującej się w trybie mieszanym, czyli nie całkiem kruchej, ale też trochę płynącej” – mówi Beach, która obecnie pracuje w energetyce geotermalnej. . Adiunkt na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT (EAPS). „Ale ogólnie rzecz biorąc, jest to podstawowa nauka, która może pomóc nam zrozumieć, gdzie litosfera jest najsilniejsza”.

Współpracownikami Peča w MIT są główny autor i naukowiec Hoji O. Ghafari, asystent techniczny Ulrich Mock, absolwentka Hilary Zhang i emerytowany profesor geofizyki Brian Evans. Tushar Mittal, współautor i były pracownik naukowy podoktorski EAPS, jest obecnie adiunktem na Pennsylvania State University.

Frakcja i przepływ

Skorupę ziemską często porównuje się do skórki jabłka. W największej grubości skorupa może mieć głębokość do 70 kilometrów (45 mil), co stanowi niewielki ułamek całkowitej średnicy Ziemi wynoszącej 12 700 kilometrów (7900 mil). Jednakże skały tworzące cienką skorupę planety różnią się znacznie pod względem wytrzymałości i stabilności. Geolodzy dochodzą do wniosku, że skały w pobliżu powierzchni są kruche i łatwo pękają w porównaniu ze skałami znajdującymi się na większych głębokościach, gdzie ogromne ciśnienie i ciepło z jądra mogą wprawiać skały w ruch.

Fakt, że skały są kruche na powierzchni i bardziej miękkie na głębokości, oznacza, że ​​musi istnieć etap pośredni – etap, w którym skały przechodzą z jednej w drugą i mogą mieć właściwości obu, mogąc pękać jak granit i przepływ. Jak miód. To „przejście od kruchości do elastyczności” nie jest dobrze poznane, chociaż geolodzy uważają, że może to mieć miejsce w miejscu, w którym skały w skorupie ziemskiej są najsilniejsze.

„Ten stan przejściowy przepływu częściowego, czyli częściowego szczelinowania, jest naprawdę ważny, ponieważ uważamy, że to właśnie tam siła litosfery osiąga szczyt i gdzie powstają największe trzęsienia ziemi” – mówi Beach. „Ale nie mamy dobrego pojęcia o tego rodzaju mieszanych zachowaniach”.

On i jego koledzy badają, w jaki sposób wytrzymałość i stabilność skał – kruchych, plastycznych lub gdzieś pomiędzy – zmienia się w zależności od mikroskopijnych defektów skał. Rozmiar, gęstość i rozmieszczenie defektów, takich jak mikroskopijne pęknięcia, szczeliny i pory, mogą kształtować kruchość lub plastyczność skały.

Jednak pomiar mikroskopijnych defektów w skałach w warunkach imitujących różne ciśnienia i głębokości Ziemi nie jest łatwym zadaniem. Na przykład nie istnieje technologia obrazowania optycznego, która umożliwiałaby naukowcom zaglądanie do wnętrza skał i mapowanie ich mikroskopijnych defektów. Zespół zajął się więc ultradźwiękami, czyli koncepcją, że każda fala dźwiękowa przechodząca przez skałę powinna odbijać się, wibrować i odbijać wszelkie mikroskopijne pęknięcia i szczeliny w określony sposób, który powinien ujawnić coś na temat układu tych uskoków.

Wszystkie te uskoki będą również generować własne dźwięki, gdy poruszają się pod ciśnieniem, dlatego aktywne sondowanie skał i ich słuchanie powinno dostarczyć im wielu informacji. Odkryli, że pomysł powinien sprawdzić się w przypadku ultradźwięków o częstotliwościach megahercowych.

„Beach wyjaśnia, że ​​tego typu metoda ultradźwiękowa jest podobna do tej, którą sejsmolodzy stosują w przyrodzie, ale przy znacznie wyższych częstotliwościach. „Pomaga nam to zrozumieć fizykę zachodzącą w mikroskopijnych skalach podczas deformacji skał”.

Kamień w trudnym miejscu

W swoich eksperymentach zespół przetestował cylindry z marmuru z Carrary.

„To ten sam materiał, z którego wykonano Dawida Michała Anioła” – zauważa Beach. „To dobrze scharakteryzowany materiał i wiemy dokładnie, co powinien robić”.

Zespół umieścił każdy marmurowy cylinder w imadle wykonanym z tłoków aluminiowych, cyrkonowych i stalowych, które razem mogą generować ekstremalne ciśnienia. Umieścili imadło w komorze ciśnieniowej, a następnie poddali każdy cylinder ciśnieniu podobnemu do tego, jakiego doświadczają skały w skorupie ziemskiej.

Gdy powoli kruszyli każdą skałę, zespół wysłał impulsy ultradźwiękowe na górę próbki, rejestrując wzór dźwiękowy wydobywający się z dna. Kiedy czujniki nie pulsowały, nasłuchiwano wszelkich naturalnie występujących emisji akustycznych.

Odkryli, że w dolnej części zakresu ciśnienia, gdzie skały są kruche, w odpowiedzi marmur faktycznie utworzył nagłe pęknięcia, a fale dźwiękowe przypominały duże skoki o niskiej częstotliwości. Przy najwyższych ciśnieniach, gdzie skały są bardziej miękkie, fale dźwiękowe przypominały głośniejszy trzask. Zespół uważa, że ​​to trzeszczenie jest spowodowane mikroskopijnymi uskokami zwanymi turbulencjami, które następnie rozprzestrzeniają się i płyną jak lawina.

„Po raz pierwszy zarejestrowaliśmy «dźwięki» wydawane przez skały, gdy odkształcają się w wyniku przejścia od kruchego do plastycznego, i powiązaliśmy te dźwięki z powodowanymi przez nie pojedynczymi mikroskopijnymi defektami” – mówi Beach. „Odkryliśmy, że w trakcie tego przejścia te defekty radykalnie zmieniają swój rozmiar i prędkość propagacji. Jest to bardziej skomplikowane, niż ludzie sądzili”.

Przeprowadzona przez zespół charakterystyka skał i ich uskoków przy różnych ciśnieniach może pomóc naukowcom oszacować, jak skorupa ziemska zachowuje się na różnych głębokościach, na przykład jak skały pękają podczas trzęsienia ziemi lub płyną podczas erupcji wulkanu.

„Kiedy skały częściowo pękają, a częściowo płyną, jak znajduje to odzwierciedlenie w cyklu trzęsień ziemi? I jak wpływa to na ruch magmy przez sieć skał? To szerokie pytania, na które można odpowiedzieć za pomocą takich badań” – mówi Beach.

Odniesienie: „Dynamika defektów mikrostrukturalnych podczas przejścia kruchego w ciągliwy” autorstwa Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang i Brian Evans, 9 października 2023 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Badania te były częściowo wspierane przez National Science Foundation.