MIT mokslininkai nustatė, kad garsai po mūsų kojomis yra pirštų atspaudai, įrodantys uolienų stabilumą.

Jei galėtumėte pasinerti per Žemės plutą, su kruopščiai sureguliuota ausimi pakeliui išgirstumėte sprogimus ir traškesius. Įtrūkimai, poros ir gedimai, einantys per uolienas, yra tarsi stygos, kurios rezonuoja spaudžiant ir spaudžiant. Ir kaip komanda Masačiusetso Technologijų Institutas Geologai nustatė, kad šių garsų ritmas ir tempas gali ką nors pasakyti apie jus supančių uolienų gylį ir stiprumą.

„Jei klausysitės uolų, jos dainuos vis aukštesniuose sluoksniuose, kuo giliau eisite“, – sako Masačusetso technologijos instituto geomokslininkas Matej Pietsch.

Beach ir jo kolegos klausosi uolų, kad pamatytų, ar yra kokių nors garso raštų ar „pirštų atspaudų“, atsirandančių, kai juos veikia skirtingas slėgis. Laboratoriniais tyrimais jie dabar parodė, kad marmuro mėginiai, veikiami žemo slėgio, skleidžia žemo tono „šokinėjimus“, o esant didesniam slėgiui, uolienos sukuria aukšto tono smūgių „laviną“.

Praktiniai pritaikymai

Paplūdimys teigia, kad šie akustiniai uolienų modeliai gali padėti mokslininkams įvertinti giliai žemės plutoje esančių įtrūkimų, plyšių ir kitų gedimų tipus, kuriuos jie gali panaudoti nustatydami nestabilias sritis po paviršiumi, kur galimi žemės drebėjimai ar ugnikalnių išsiveržimai. . Komandos rezultatai, paskelbti spalio 9 d Nacionalinės mokslų akademijos darbaitaip pat gali padėti informuoti apie inspektorių pastangas ieškoti atsinaujinančios geoterminės energijos.

„Jei norime pasinaudoti labai karštais geoterminiais šaltiniais, turėsime išmokti gręžti į uolieną, kuri yra šiuo mišriu režimu, kur ji nėra gana trapi, bet ir šiek tiek teka“, – sako Beach. šiuo metu dirba geoterminėje energetikoje. MIT (EAPS) Žemės, atmosferos ir planetų mokslų katedros docentas. „Tačiau apskritai tai yra pagrindinis mokslas, galintis padėti mums suprasti, kur litosfera yra stipriausia.”

Peč bendradarbiai MIT yra pagrindinis autorius ir mokslininkas Hoji O. Ghafari, techninis asistentas Ulrichas Mockas, magistrantė Hilary Chang ir geofizikos profesorius emeritas Brianas Evansas. Tushar Mittal, bendraautorius ir buvęs EAPS doktorantūros tyrėjas, dabar yra Pensilvanijos valstijos universiteto docentas.

Dalis ir srautas

Žemės pluta dažnai lyginama su obuolio pluta. Didžiausio storio pluta gali būti iki 70 kilometrų (45 mylių) gylio, maža dalis viso Žemės skersmens – 12 700 kilometrų (7 900 mylių). Tačiau uolienos, sudarančios ploną planetos plutą, labai skiriasi savo stiprumu ir stabilumu. Geologai daro išvadą, kad šalia paviršiaus esančios uolienos yra trapios ir lengvai lūžta, palyginti su uolienomis didesniame gylyje, kur didžiulis slėgis ir šiluma iš šerdies gali priversti uolienas tekėti.

Tai, kad uolienos paviršiuje yra trapios, o gylyje minkštesnės, reiškia, kad turi būti tarpinė stadija – stadija, kai uolienos pereina iš vienos į kitą ir gali turėti abiejų savybių, nes gali lūžti kaip granitas ir srautas. Kaip medus. Šis „perėjimas nuo trapumo prie elastingumo“ nėra gerai suprantamas, nors geologai mano, kad tai gali būti toje vietoje, kur uolienos yra stipriausios Žemės plutoje.

„Ši pereinamoji dalinio srauto būsena, dalinis skilimas, yra tikrai svarbi, nes manome, kad būtent čia yra didžiausias litosferos stiprumas ir didžiausias žemės drebėjimas“, – sako Beach. „Tačiau mes neturime tinkamo elgesio su tokiu mišriu elgesiu.”

Jis ir jo kolegos tiria, kaip uolienų stiprumas ir stabilumas (nesvarbu, ar jie trapūs, plastiški ar kažkur tarp jų) skiriasi priklausomai nuo uolienų mikroskopinių defektų. Defektų, tokių kaip mikroskopiniai įtrūkimai, įtrūkimai ir poros, dydis, tankis ir pasiskirstymas gali nulemti uolienų trapią ar lankstumą.

Tačiau išmatuoti mikroskopinius uolienų defektus tokiomis sąlygomis, kurios imituoja skirtingą Žemės slėgį ir gylį, nėra lengva užduotis. Pavyzdžiui, nėra optinio vaizdo gavimo technologijos, kuri leistų mokslininkams pamatyti uolienų vidų ir nustatyti jų mikroskopinius defektus. Taigi komanda kreipėsi į ultragarsą, idėją, kad bet kokia garso banga, sklindanti per uolą, turėtų atsimušti atgal, vibruoti ir atspindėti bet kokius mikroskopinius įtrūkimus ir plyšius konkrečiais būdais, kurie turėtų ką nors atskleisti apie tų gedimų modelį.

Visi šie gedimai taip pat generuos savo garsus, kai jie judės esant slėgiui, todėl aktyvus garsas per akmenis ir jų klausymas turėtų suteikti jiems daug informacijos. Jie nustatė, kad idėja turėtų veikti su ultragarsu megahercų dažniais.

“Paplūdimys aiškina, kad tokio tipo ultragarso metodas yra panašus į tai, ką seismologai daro gamtoje, tačiau daug aukštesniu dažniu. „Tai padeda mums suprasti fiziką, kuri atsiranda mikroskopinėse skalėse, kai šios uolienos deformuojasi.”

Uola sunkioje vietoje

Savo eksperimentuose komanda išbandė Carrara marmuro cilindrus.

„Tai ta pati medžiaga, iš kurios buvo pagamintas Mikelandželo Dovydas“, – pažymi Beach. „Tai gerai apibūdinta medžiaga, ir mes tiksliai žinome, ką ji turėtų daryti.

Komanda įdėjo kiekvieną marmurinį cilindrą į įtaisą, pagamintą iš aliuminio, cirkonio ir plieno stūmoklių, kurie kartu gali sukurti didelį slėgį. Jie įdėjo veržlę į slėginę kamerą, tada kiekvieną cilindrą paveikė slėgį, panašų į tą, kurį patiria uolienos visoje Žemės plutoje.

Lėtai traiškydami kiekvieną uolą, komanda siuntė ultragarso impulsus per mėginio viršų, užfiksuodama garso raštą, kylantį iš apačios. Kai jutikliai nepulsavo, jie klausėsi, ar nėra natūraliai atsirandančių akustinių spindulių.

Jie nustatė, kad apatinėje slėgio diapazono dalyje, kur uolos yra trapios, marmuras iš tikrųjų sudarė staigius lūžius, o garso bangos buvo panašios į didelius žemo dažnio šuoliai. Esant didžiausiam slėgiui, kur uolos minkštesnės, garso bangos priminė stipresnį traškėjimą. Komanda mano, kad šį traškėjimą sukelia mikroskopiniai gedimai, vadinami turbulencija, kurie vėliau plinta ir teka kaip lavina.

„Pirmą kartą įrašėme „garsus“, kuriuos skleidžia uolienos, kai jos deformuojasi per šį perėjimą iš trapios į plastišką, ir susiejome šiuos garsus su atskirais jų sukeliamais mikroskopiniais defektais“, – sako Beach. „Mes nustatėme, kad šie defektai dramatiškai keičia savo dydį ir sklidimo greitį, kai jie pereina per šį perėjimą. Tai sudėtingiau, nei žmonės manė.”

Grupės uolienų ir jų gedimų apibūdinimas esant skirtingam slėgiui gali padėti mokslininkams įvertinti, kaip Žemės pluta elgiasi skirtinguose gyliuose, pavyzdžiui, kaip uolienos lūžta žemės drebėjimo metu arba tekėja ugnikalnio išsiveržimo metu.

„Kai uolienos iš dalies lūžta, o iš dalies teka, kaip tai atsispindi žemės drebėjimo cikle? Ir kaip tai veikia magmos judėjimą per uolienų tinklą? Tai yra platūs klausimai, kuriuos galima išspręsti atliekant tokius tyrimus”, – sako Beach.

Nuoroda: Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang ir Brian Evans „Mikrostruktūrinių defektų dinamika perėjimo iš trapios į plastiškumą metu“, 2023 m. spalio 9 d. Nacionalinės mokslų akademijos darbai.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Šį tyrimą iš dalies palaikė Nacionalinis mokslo fondas.