Как геологи Массачусетского технологического института картографируют скрытые слои Земли

Трещины и поры, проходящие через горные породы, от земной коры до жидкой мантии, подобны каналам и полостям, через которые может резонировать звук.

Ученые Массачусетского технологического института обнаружили, что звуки под нашими ногами — это отпечатки пальцев, доказывающие устойчивость камней.

Если бы вы могли нырнуть сквозь земную кору, вы могли бы, с помощью тщательно настроенного слуха, услышать по пути взрывы и потрескивания. Трещины, поры и разломы, проходящие через камни, подобны струнам, которые резонируют при нажатии и давлении. И как команда Массачусетский Институт Технологий Геологи обнаружили, что ритм и темп этих звуков могут рассказать вам кое-что о глубине и прочности окружающих вас камней.

«Если вы слушаете камни, они будут петь во все более высоких слоях, чем глубже вы погружаетесь», — говорит Матей Питч, ученый-геолог из Массачусетского технологического института.

Бич и его коллеги слушают камни, чтобы увидеть, есть ли какие-либо звуковые узоры или «отпечатки пальцев», которые появляются, когда они подвергаются различному давлению. В ходе лабораторных исследований они теперь показали, что образцы мрамора, подвергающиеся воздействию низкого давления, издают низкие «хлопки», тогда как при более высоком давлении камни генерируют «лавину» высоких хлопков.

Практическое применение

Бич говорит, что эти акустические закономерности в горных породах могут помочь ученым оценить типы трещин, трещин и других разломов глубоко в земной коре, которые они затем могут использовать для выявления нестабильных областей под поверхностью, где вероятны землетрясения или извержения вулканов. . Результаты команды, опубликованные 9 октября на сайте Труды Национальной академии науктакже может помочь в усилиях геодезистов по изучению возобновляемой геотермальной энергии.

«Если мы хотим использовать очень горячие геотермальные источники, нам придется научиться бурить породу, находящуюся в смешанном режиме, когда она не совсем хрупкая, но при этом немного текучая», — говорит Бич, который в настоящее время работает в области геотермальной энергетики. Доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Но в целом это фундаментальная наука, которая может помочь нам понять, где литосфера наиболее сильна».

Сотрудниками Печа в Массачусетском технологическом институте являются ведущий автор и научный сотрудник Ходжи О. Гафари, технический ассистент Ульрих Мок, аспирантка Хилари Чанг и почетный профессор геофизики Брайан Эванс. Тушар Миттал, соавтор и бывший постдокторант EAPS, сейчас является доцентом Университета штата Пенсильвания.

Фракция и поток

Земную кору часто сравнивают с коркой яблока. При наибольшей толщине кора может достигать 70 километров (45 миль) в глубину, что составляет небольшую часть общего диаметра Земли, составляющего 12 700 километров (7 900 миль). Однако породы, составляющие тонкую кору планеты, сильно различаются по своей прочности и устойчивости. Геологи приходят к выводу, что породы вблизи поверхности хрупкие и легко разрушаются по сравнению с породами на больших глубинах, где огромное давление и тепло от ядра могут заставить породы течь.

Тот факт, что горные породы хрупкие на поверхности и более мягкие на глубине, означает, что должна существовать промежуточная стадия – стадия, на которой породы переходят от одной к другой, и могут обладать свойствами обеих, будучи способными разрушаться, как гранит, и поток. Как мед. Этот «переход от хрупкости к эластичности» до конца не изучен, хотя геологи полагают, что именно здесь породы в земной коре наиболее сильны.

«Это переходное состояние частичного потока, частичного разрушения действительно важно, потому что мы думаем, что именно здесь сила литосферы достигает максимума и где зарождаются самые большие землетрясения», — говорит Бич. «Но мы не умеем хорошо справляться с такого рода смешанным поведением».

Он и его коллеги изучают, как прочность и стабильность горных пород — будь то хрупкие, пластичные или что-то среднее — варьируются в зависимости от микроскопических дефектов камней. Размер, плотность и распределение дефектов, таких как микроскопические трещины, трещины и поры, могут определять, насколько хрупкой или пластичной является порода.

Но измерение микроскопических дефектов в горных породах в условиях, имитирующих различное давление и глубину Земли, — непростая задача. Например, не существует технологии оптической визуализации, которая позволила бы ученым заглянуть внутрь горных пород и составить карту их микроскопических дефектов. Поэтому команда обратилась к ультразвуку — идее о том, что любая звуковая волна, проходящая через камень, должна отражаться назад, вибрировать и отражать любые микроскопические трещины и трещины определенным образом, что должно раскрыть что-то о характере этих разломов.

Все эти разломы также будут издавать свои собственные звуки, когда они движутся под давлением, поэтому активное зондирование скал, а также прослушивание их должно дать им много информации. Они обнаружили, что идея должна работать с ультразвуком на мегагерцовых частотах.

«Бич объясняет, что этот тип ультразвукового метода похож на то, что используют сейсмологи в природе, но на гораздо более высоких частотах. «Это помогает нам понять физику, которая происходит на микроскопических масштабах при деформации этих пород».

Камень в трудном месте

В своих экспериментах команда тестировала цилиндры из каррарского мрамора.

«Это тот же материал, из которого был сделан Давид Микеланджело», — отмечает Бич. «Это хорошо изученный материал, и мы точно знаем, что он должен делать».

Команда поместила каждый мраморный цилиндр в тиски, сделанные из алюминия, циркония и стальных поршней, которые вместе могут создавать экстремальное давление. Они поместили тиски в камеру под давлением, а затем подвергли каждый цилиндр давлению, аналогичному тому, которое испытывают камни по всей земной коре.

Медленно дробя каждый камень, команда посылала ультразвуковые импульсы через верхнюю часть образца, записывая звуковой рисунок, доносившийся снизу. Когда датчики не пульсировали, они прислушивались к любым естественным акустическим излучениям.

Они обнаружили, что в нижней части диапазона давления, где горные породы хрупкие, в ответ мрамор фактически образовывал внезапные трещины, а звуковые волны напоминали большие низкочастотные шипы. При самом высоком давлении, где породы мягче, звуковые волны напоминали более громкий треск. Команда считает, что это потрескивание вызвано микроскопическими разломами, называемыми турбулентностью, которые затем распространяются и текут лавиной.

«Мы впервые записали «звуки», которые издают камни, когда они деформируются в процессе перехода от хрупкого к пластичному, и связали эти звуки с отдельными микроскопическими дефектами, которые они вызывают», — говорит Бич. «Мы обнаружили, что эти дефекты резко меняют свой размер и скорость распространения по мере прохождения этого перехода. Это сложнее, чем люди думали».

Полученные командой характеристики горных пород и их разломов при разном давлении могут помочь ученым оценить, как земная кора ведет себя на разных глубинах, например, как скальные породы разрушаются при землетрясении или растекаются при извержении вулкана.

«Когда горные породы частично разрушаются, а частично текут, как это отражается на цикле землетрясений? И как это влияет на движение магмы через сеть камней? Это общие вопросы, которые можно решить с помощью подобных исследований», — говорит Бич.

Ссылка: «Динамика микроструктурных дефектов при переходе от хрупкого к пластическому переходу», Ходжи Огавари, Матей Пиех, Тушар Миттал, Ульрих Мок, Хилари Чжан и Брайан Эванс, 9 октября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
дои: 10.1073/pnas.2305667120

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.