Jak geologové z MIT mapují skryté vrstvy Země

Vědci z MIT zjistili, že zvuky pod našima nohama jsou otisky prstů, které dokazují stabilitu hornin.

Pokud byste se dokázali ponořit zemskou kůrou, mohli byste s pečlivě naladěným uchem cestou slyšet výbuchy a praskání. Praskliny, póry a zlomy, které procházejí kameny, jsou jako struny, které rezonují při stlačení a tlaku. A jako tým Massachusetts Institute of Technology Geologové zjistili, že rytmus a tempo těchto zvuků vám může napovědět něco o hloubce a síle hornin kolem vás.

„Pokud posloucháte skály, budou zpívat ve vyšších a vyšších vrstvách, čím hlouběji půjdete,“ říká Matej Pietsch, geolog z Massachusetts Institute of Technology.

Beach a jeho kolegové poslouchají kameny, aby zjistili, zda se objevují nějaké zvukové vzory nebo „otisky prstů“, které se objevují, když jsou vystaveny různým tlakům. V laboratorních studiích nyní prokázali, že vzorky mramoru, když jsou vystaveny nízkým tlakům, vydávají nízko posazené „praskání“, zatímco při vyšších tlacích generují horniny „lavinu“ vysokých praskání.

Praktické aplikace

Beach říká, že tyto akustické vzory ve skalách mohou vědcům pomoci odhadnout typy trhlin, puklin a dalších zlomů hluboko v zemské kůře, které pak mohou použít k identifikaci nestabilních oblastí pod povrchem, kde jsou pravděpodobná zemětřesení nebo sopečné erupce. . Výsledky týmu, zveřejněné 9. října v hodin Proceedings of the National Academy of Sciencesby také mohla pomoci informovat zeměměřiče o úsilí o průzkum obnovitelné geotermální energie.

„Pokud se chceme napojit na velmi horké geotermální zdroje, budeme se muset naučit vrtat do horniny, která je v tomto smíšeném režimu, kde není tak docela křehká, ale také trochu teče,“ říká Beach, který v současnosti pracuje v oblasti geotermální energie. Odborný asistent na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetách na MIT (EAPS). „Ale obecně je to základní věda, která nám může pomoci pochopit, kde je litosféra nejsilnější.“

Pečovými spolupracovníky na MIT jsou hlavní autor a vědecký pracovník Hoji O. Ghafari, technický asistent Ulrich Mock, postgraduální studentka Hilary Zhang a emeritní profesor geofyziky Brian Evans. Tushar Mittal, spoluautor a bývalý postdoktorandský výzkumník EAPS, je nyní odborným asistentem na Pennsylvania State University.

Zlomek a tok

Zemská kůra je často srovnávána s kůrou jablka. Při své největší tloušťce může být kůra až 70 kilometrů (45 mil) hluboká, což je malý zlomek celkového průměru Země 12 700 kilometrů (7 900 mil). Horniny, které tvoří tenkou kůru planety, se však velmi liší svou pevností a stabilitou. Geologové došli k závěru, že horniny v blízkosti povrchu jsou křehké a snadno se lámou ve srovnání s horninami ve větších hloubkách, kde mohou horniny proudit obrovské tlaky a teplo z jádra.

Skutečnost, že horniny jsou na povrchu křehké a v hloubce měkčí, znamená, že musí existovat mezistupeň – stadium, ve kterém horniny přecházejí z jedné do druhé a mohou mít vlastnosti obou, mohou se lámat jako žula a tok. Jako med. Tento „přechod od křehkosti k pružnosti“ není dobře pochopen, ačkoli geologové věří, že to může být tam, kde jsou horniny v zemské kůře nejsilnější.

„Tento přechodný stav částečného toku, částečné štěpení, je opravdu důležitý, protože si myslíme, že právě tam vrcholí síla litosféry a kde dochází k největším zemětřesením,“ říká Beach. „Ale nemáme dobrý přehled o tomto druhu smíšeného chování.“

On a jeho kolegové studují, jak se pevnost a stabilita hornin – ať už křehkých, tažných nebo někde mezi tím – liší na základě mikroskopických defektů hornin. Velikost, hustota a distribuce defektů, jako jsou mikroskopické trhliny, trhliny a póry, mohou utvářet křehkost nebo tažnost horniny.

Ale měření mikroskopických defektů v horninách za podmínek, které napodobují různé tlaky a hloubky Země, není snadný úkol. Například neexistuje žádná technologie optického zobrazování, která by vědcům umožnila nahlédnout dovnitř hornin a zmapovat jejich mikroskopické defekty. Tým se tedy obrátil k ultrazvuku, myšlence, že jakákoli zvuková vlna procházející skálou by se měla odrazit, vibrovat a odrážet jakékoli mikroskopické trhliny a praskliny, a to konkrétními způsoby, které by měly odhalit něco o vzoru těchto poruch.

Všechny tyto poruchy budou také generovat své vlastní zvuky, když se pohybují pod tlakem, takže aktivní zvučení skrz kameny a jejich naslouchání by jim mělo poskytnout velké množství informací. Zjistili, že nápad by měl fungovat s ultrazvukem na megahertzových frekvencích.

„Beach vysvětluje, že tento typ ultrazvukové metody je podobný tomu, co dělají seismologové v přírodě, ale na mnohem vyšších frekvencích. „To nám pomáhá pochopit fyziku, která se vyskytuje v mikroskopických měřítcích, když se tyto horniny deformují.“

Kámen na obtížném místě

Ve svých experimentech tým testoval válce z carrarského mramoru.

„Je to stejný materiál, ze kterého byl vyroben Michelangelův David,“ poznamenává Beach. „Je to dobře charakterizovaný materiál a přesně víme, co by měl dělat.“

Tým umístil každý mramorový válec do zařízení podobného svěráku vyrobeného z hliníku, zirkonia a ocelových pístů, které společně mohou vytvářet extrémní tlaky. Umístili svěrák do tlakové komory a potom vystavili každý válec tlakům podobným těm, které zažívají horniny v zemské kůře.

Jak pomalu drtili každý kámen, tým vyslal pulsy ultrazvuku přes horní část vzorku a zaznamenával zvukový vzor, ​​který se objevil zespodu. Když senzory nepulsovaly, poslouchaly jakékoli přirozeně se vyskytující akustické emise.

Zjistili, že na spodním konci tlakového rozsahu, kde jsou horniny křehké, mramor ve skutečnosti vytvořil náhlé zlomy a zvukové vlny připomínaly velké nízkofrekvenční hroty. Při nejvyšších tlacích, kde jsou horniny měkčí, zvukové vlny připomínaly hlasitější praskání. Tým věří, že toto praskání je způsobeno mikroskopickými poruchami nazývanými turbulence, které se pak šíří a proudí jako lavina.

„Poprvé jsme zaznamenali ‚zvuky‘, které horniny vydávají, když se deformují tímto přechodem z křehkého na tvárný, a spojili jsme tyto zvuky s jednotlivými mikroskopickými defekty, které způsobují,“ říká Beach. „Zjistili jsme, že tyto defekty dramaticky mění svou velikost a rychlost šíření, když procházejí tímto přechodem. Je to složitější, než si lidé mysleli.“

Týmové charakterizace hornin a jejich chyb při různých tlacích může vědcům pomoci odhadnout, jak se zemská kůra chová v různých hloubkách, například jak se horniny lámou při zemětřesení nebo proudí při sopečné erupci.

„Když se skály částečně lámou a částečně tečou, jak se to odráží v cyklu zemětřesení? A jak to ovlivňuje pohyb magmatu skrz síť hornin? To jsou široké otázky, které lze řešit výzkumem, jako je tento,“ říká Beach.

Odkaz: „Dynamika mikrostrukturálních defektů během přechodu z křehkého na tvárný“ od Hoji Ogavariho, Mateje Piecha, Tushara Mittala, Ulricha Mocka, Hilary Zhang a Briana Evanse, 9. října 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Tento výzkum byl částečně podporován National Science Foundation.