Трещины и поры по всей породе, от земной коры до жидкой мантии, подобны каналам и полостям, через которые может резонировать звук. Ученые Массачусетского технологического института обнаружили, что звук под нашими ногами имеет довольно устойчивый отпечаток. Если бы вы могли погрузиться в земную кору, просто прислушайтесь, и вы услышали бы по пути рев и треск. Трещины, поры и дефекты в камне подобны струнам, которые резонируют при сжатии и напряжении.
Команда геологов Массачусетского технологического института обнаружила, что ритм и темп этих звуков могут рассказать о глубине и прочности окружающих пород.
«Если вы слушаете камни, они поют все выше и выше, и чем глубже вы погружаетесь, тем выше становится их звук», — сказал геолог Массачусетского технологического института Матей Печ.
Пейдж и его коллеги слушают камни, чтобы увидеть, появляются ли акустические узоры или «отпечатки пальцев» под разным давлением. В ходе лабораторных исследований они обнаружили, что образцы мрамора издают низкий «рев» при низком давлении, а при высоком давлении порода издает высокий «лавинный» звук.
Эти акустические структуры в горных породах могут помочь ученым оценить типы трещин, трещин и других дефектов, которые появляются в земной коре по мере увеличения глубины, сказал Эзоик Печ. Затем они смогут использовать эти акустические модели для выявления нестабильных областей под поверхностью земли, которые могут вызвать землетрясения или извержения вулканов. Результаты исследования группы, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 9 октября, также помогут предоставить информацию геодезистам, занимающимся бурением в целях получения возобновляемой геотермальной энергии.
Пейдж — доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). В целом, по его словам, это фундаментальная наука, которая может помочь нам понять, где литосфера наиболее сильна.
В число сотрудников Пейджа в Массачусетском технологическом институте входят ведущий автор и научный сотрудник Хоги О. Гаффари, технический ассистент Ульрих Мок, аспирантка Хилари Чанг и почетный профессор геофизики Брайан Эванс. Соавтор Тушар Миттал, бывший постдок EAPS, сейчас является доцентом Университета штата Пенсильвания.
Перелом и поток
Люди часто сравнивают корку с кожурой яблока. Самая толстая земная кора имеет глубину 70 километров (45 миль) — лишь часть общего диаметра Земли, составляющего 12 700 километров (7 900 миль). Однако породы, составляющие тонкую земную кору, сильно различаются по прочности и стабильности. Геологи предполагают, что горные породы вблизи поверхности хрупкие и легко ломаются, в отличие от горных пород, находящихся глубже, где сильное давление и тепло от ядра Земли могут заставить камни течь.
Породы хрупкие на поверхности и более пластичные на глубине, а это означает, что должна быть промежуточная стадия, на которой порода переходит от одного к другому, возможно, обладая обоими свойствами одновременно: ломаясь, как гранит, и растекаясь, как мед. Этот «переход от хрупкого к пластичному» не совсем понятен, но геологи полагают, что это, возможно, самое прочное место в земной коре.
«Это переходное состояние частичного течения и частичного разрушения важно, потому что мы думаем, что именно здесь находится пик прочности литосферы и происходят самые сильные землетрясения», — сказал Пейдж. «Но у нас пока нет хорошего понимания этого поведения в смешанном режиме».
Он и его коллеги изучают, как прочность и стабильность камня — хрупкого, пластичного или чего-то среднего — изменяются в зависимости от микроскопических дефектов камня. Размер, плотность и распределение дефектов, таких как микроскопические трещины, трещины и поры, могут определять хрупкость или вязкость породы.
Но измерение микроскопических дефектов в горных породах в условиях, имитирующих различное давление и глубину на Земле, — непростая задача. Например, в настоящее время не существует технологии визуальной визуализации, которая позволяла бы ученым заглядывать внутрь горных пород и наносить на карту их микроскопические дефекты. Поэтому команда обратилась к ультразвуку, утверждая, что любые звуковые волны, проходящие через камень, будут отражаться, вибрировать и отражаться в любых крошечных трещинах и щелях, определенным образом раскрывая морфологию этих изъянов.
Все эти несовершенства также издают свои собственные звуки, когда они вынуждены двигаться, поэтому активное обнаружение камней и прослушивание звуков камней может предоставить им богатую информацию. Они обнаружили, что эта идея должна быть возможной в ультразвуковых волнах мегагерцовых частот.
«Этот ультразвуковой метод похож на то, что делают сейсмологи в природе, но на гораздо более высоких частотах. Это помогает нам понять физику, которая происходит на микроскопическом уровне во время деформации этих горных пород», — объясняет Пейдж.
«Каррарский мрамор — тот же материал, что и Давид Микеланджело. Это материал с очень специфическими свойствами, и мы точно знаем, что он должен делать», — отметил Пейдж.
Команда поместила каждый мраморный цилиндр в устройство, похожее на тиски, изготовленное из алюминия, циркония и стальных поршней — материалов, которые в совокупности создают экстремальные нагрузки. Они поместили плоскогубцы 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 и записывала образцы звуковых волн, исходящих снизу. Когда датчики не пульсируют, они отслеживают любые естественные акустические излучения.
Они обнаружили, что в нижней части диапазона давления, где порода хрупкая, мрамор внезапно трескается со звуковыми волнами, похожими на огромный низкочастотный рев. При самых высоких давлениях, когда порода более податлива, звуковые волны напоминают более высокий потрескивающий звук. Команда считает, что потрескивающий звук создается крошечными дефектами, называемыми дислокациями, которые затем распространяются и текут лавинообразно.
«Мы впервые задокументировали «шум», который издают камни, когда они деформируются во время перехода из хрупкого состояния в пластичное, и связали эти шумы с отдельными микроскопическими дефектами, которые вызывают шум», — сказал Пейдж. «Мы обнаружили, что эти дефекты резко изменяются по размеру и скорости распространения по мере прохождения этого перехода. Это сложнее, чем люди думали».
Полученные командой характеристики горных пород и их дефектов под разным давлением могут помочь ученым оценить, как земная кора ведет себя на разных глубинах, например, как горные породы могут разрушаться во время землетрясения или течь во время извержения.
«Когда части породы разрушаются, а части текут, как это влияет на сейсмический цикл? Как это влияет на поток магмы через сеть горных пород?» — сказал Пейдж. «Это более масштабные вопросы, которые можно решить посредством аналогичных исследований».