Hoe MIT-geologen de verborgen lagen van de aarde in kaart brengen

MIT-wetenschappers hebben ontdekt dat de geluiden onder onze voeten vingerafdrukken zijn die de stabiliteit van rotsen bewijzen.

Als je door de aardkorst zou kunnen duiken, zou je onderweg met een goed afgestemd oor explosies en geknetter kunnen horen. De scheuren, poriën en scheuren die door rotsen lopen, zijn als snaren die resoneren wanneer ze worden ingedrukt en onder druk worden gezet. En als team van Massachusetts Institute of Technology Geologen hebben ontdekt dat het ritme en het tempo van deze geluiden je iets kunnen vertellen over de diepte en sterkte van de rotsen om je heen.

“Als je naar rotsen luistert, zingen ze in steeds hogere lagen, hoe dieper je gaat”, zegt Matej Pietsch, een geowetenschapper aan het Massachusetts Institute of Technology.

Beach en zijn collega’s luisteren naar rotsen om te zien of er geluidspatronen of ‘vingerafdrukken’ zijn die verschijnen wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende druk. In laboratoriumstudies hebben ze nu aangetoond dat marmermonsters, wanneer ze worden blootgesteld aan lage druk, lage ‘ploppen’ uitzenden, terwijl de rotsen bij hogere druk een ‘lawine’ van hoge ploffen genereren.

Praktische toepassingen

Beach zegt dat deze akoestische patronen in rotsen wetenschappers kunnen helpen bij het inschatten van de soorten scheuren, kloven en andere fouten diep in de aardkorst, die ze vervolgens kunnen gebruiken om onstabiele gebieden onder het oppervlak te identificeren, waar aardbevingen of vulkaanuitbarstingen waarschijnlijk zijn. . De resultaten van het team, gepubliceerd op 9 oktober om Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappenzou ook kunnen bijdragen aan de inspanningen van landmeters om hernieuwbare geothermische energie te onderzoeken.

“Als we zeer hete geothermische bronnen willen aanboren, zullen we moeten leren boren in gesteente dat zich in deze gemengde modus bevindt, waar het niet helemaal bros is, maar ook een beetje stroomt”, zegt Beach, die werkt momenteel in geothermische energie. Universitair docent bij de afdeling Aard-, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen aan het MIT (EAPS). “Maar over het algemeen is dit fundamentele wetenschap die ons kan helpen begrijpen waar de lithosfeer het sterkst is.”

Peč’s medewerkers bij MIT zijn hoofdauteur en onderzoekswetenschapper Hoji O. Ghafari, technisch assistent Ulrich Mock, afgestudeerde student Hilary Chang en emeritus hoogleraar geofysica Brian Evans. Tushar Mittal, co-auteur en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij EAPS, is nu assistent-professor aan de Pennsylvania State University.

Breuk en stroom

De aardkorst wordt vaak vergeleken met de korst van een appel. Op zijn grootste dikte kan de korst wel 70 kilometer diep zijn, een klein deel van de totale diameter van de aarde van 12.700 kilometer (7.900 mijl). De rotsen waaruit de dunne korst van de planeet bestaat, variëren echter sterk in sterkte en stabiliteit. Geologen concluderen dat rotsen dichtbij het oppervlak broos zijn en gemakkelijk breken, vergeleken met rotsen op grotere diepte, waar enorme druk en hitte vanuit de kern de rotsen kunnen laten stromen.

Het feit dat rotsen broos zijn aan de oppervlakte en zachter op diepte, betekent dat er een tussenfase moet zijn – een fase waarin rotsen van de een naar de ander overgaan, en de eigenschappen van beide kunnen hebben, omdat ze kunnen breken zoals graniet, en stroom. Als honing. Deze ‘overgang van broosheid naar elasticiteit’ wordt niet goed begrepen, hoewel geologen denken dat dit de plek is waar gesteenten het sterkst zijn in de aardkorst.

“Deze overgangstoestand van gedeeltelijke stroming, gedeeltelijke breuk, is erg belangrijk, omdat we denken dat daar de kracht van de lithosfeer piekt en waar de grootste aardbevingen ontstaan”, zegt Beach. “Maar we hebben geen goede grip op dit soort gemengd gedrag.”

Hij en zijn collega’s bestuderen hoe de sterkte en stabiliteit van gesteenten – of ze nu bros, ductiel of ergens daartussenin zijn – varieert op basis van de microscopische defecten van de rotsen. De grootte, dichtheid en verdeling van defecten zoals microscopisch kleine scheuren, kloven en poriën kunnen bepalen hoe bros of ductiel een gesteente is.

Maar het meten van microscopische defecten in gesteenten, onder omstandigheden die verschillende drukken en diepten van de aarde nabootsen, is geen gemakkelijke taak. Er bestaat bijvoorbeeld geen optische beeldvormingstechnologie waarmee wetenschappers in rotsen kunnen kijken om hun microscopische defecten in kaart te brengen. Daarom wendde het team zich tot echografie, het idee dat elke geluidsgolf die door een rots reist, terug moet kaatsen, trillen en eventuele microscopisch kleine scheurtjes en kloven moet reflecteren, op specifieke manieren die iets zouden moeten onthullen over het patroon van die breuken.

Al deze fouten zullen ook hun eigen geluiden genereren wanneer ze onder druk bewegen, dus actief door de rotsen klinken en ernaar luisteren zou hen veel informatie moeten opleveren. Ze ontdekten dat het idee zou moeten werken met echografie op megahertz-frequenties.

“Beach legt uit dat dit type ultrasone methode vergelijkbaar is met wat seismologen in de natuur doen, maar dan met veel hogere frequenties. “Dit helpt ons de fysica te begrijpen die op microscopische schaal plaatsvindt als deze rotsen vervormen.”

Een steen op een moeilijke plek

In hun experimenten testte het team cilinders van Carrara-marmer.

“Het is hetzelfde materiaal waarvan Michelangelo’s David is gemaakt”, merkt Beach op. “Het is een goed gekarakteriseerd materiaal en we weten precies wat het moet doen.”

Het team plaatste elke marmeren cilinder in een bankschroefachtig apparaat gemaakt van zuigers van aluminium, zirkonium en staal, die samen extreme druk kunnen genereren. Ze plaatsten de bankschroef in een drukkamer en onderwierpen vervolgens elke cilinder aan een druk die vergelijkbaar was met die van rotsen in de aardkorst.

Terwijl ze elke rots langzaam verpletterden, stuurde het team ultrasone pulsen over de bovenkant van het monster, waarbij het geluidspatroon werd vastgelegd dat uit de bodem naar voren kwam. Als de sensoren niet pulseerden, luisterden ze naar eventuele natuurlijk voorkomende akoestische emissies.

Ze ontdekten dat aan de onderkant van het drukbereik, waar rotsen broos zijn, het marmer in reactie hierop plotselinge breuken vormde, en dat de geluidsgolven leken op grote laagfrequente pieken. Bij de hoogste druk, waar de rotsen zachter zijn, leken de geluidsgolven op een luider geknetter. Het team denkt dat dit gekraak wordt veroorzaakt door microscopisch kleine fouten, turbulentie genaamd, die zich vervolgens verspreiden en als een lawine stromen.

“Voor het eerst hebben we de ‘geluiden’ vastgelegd die rotsen maken wanneer ze vervormen door de overgang van bros naar ductiel, en we hebben deze geluiden gekoppeld aan de individuele microscopische defecten die ze veroorzaken”, zegt Beach. “We ontdekten dat deze defecten hun omvang en voortplantingssnelheid dramatisch veranderen naarmate ze deze transitie doorlopen. Het is ingewikkelder dan mensen dachten.”

De karakteriseringen van het team van rotsen en hun breuken bij verschillende druk kunnen wetenschappers helpen inschatten hoe de aardkorst zich op verschillende diepten gedraagt, zoals hoe rotsen breken bij een aardbeving of stromen bij een vulkaanuitbarsting.

“Als rotsen deels breken en deels stromen, hoe wordt dat dan weerspiegeld in de aardbevingscyclus? En hoe beïnvloedt dat de beweging van magma door een netwerk van rotsen? Dit zijn brede vragen die kunnen worden beantwoord met onderzoek als dit”, zegt Beach.

Referentie: “Dynamiek van microstructurele defecten tijdens de bros-naar-ductiel overgang” door Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang en Brian Evans, 9 oktober 2023, Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation.