Come i geologi del MIT mappano gli strati nascosti della Terra

Gli scienziati del MIT hanno scoperto che i suoni sotto i nostri piedi sono impronte digitali che dimostrano la stabilità delle rocce.

Se potessi tuffarti attraverso la crosta terrestre, potresti, con un orecchio attento, sentire esplosioni e crepitii lungo il percorso. Le crepe, i pori e le faglie che attraversano le rocce sono come corde che risuonano quando vengono premute e pressate. E come una squadra di Istituto di Tecnologia del Massachussetts I geologi hanno scoperto che il ritmo e il ritmo di questi suoni possono dirti qualcosa sulla profondità e la forza delle rocce intorno a te.

“Se ascolti le rocce, canteranno in strati sempre più alti, più in profondità vai”, dice Matej Pietsch, geoscienziato del Massachusetts Institute of Technology.

Beach e i suoi colleghi ascoltano le rocce per vedere se ci sono schemi sonori o “impronte digitali” che appaiono quando sono esposte a pressioni diverse. In studi di laboratorio, hanno ora dimostrato che i campioni di marmo, quando sottoposti a basse pressioni, emettono “schiocchi” acuti, mentre a pressioni più elevate, le rocce generano una “valanga” di schiocchi acuti.

Applicazioni pratiche

Beach afferma che questi modelli acustici nelle rocce possono aiutare gli scienziati a stimare i tipi di crepe, fessure e altri difetti in profondità nella crosta terrestre, che potranno poi utilizzare per identificare le aree instabili sotto la superficie, dove sono probabili terremoti o eruzioni vulcaniche. . I risultati della squadra, pubblicati il ​​9 ottobre alle Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienzepotrebbe anche contribuire a informare gli sforzi dei geometri per esplorare l’energia geotermica rinnovabile.

“Se vogliamo attingere a fonti geotermiche molto calde, dovremo imparare a perforare la roccia in questa modalità mista, dove non è del tutto fragile, ma scorre anche un po’”, dice Beach, che attualmente lavora nel settore dell’energia geotermica. . Professore assistente presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell’Atmosfera e del Pianeta del MIT (EAPS). “Ma in generale, questa è la scienza di base che può aiutarci a capire dove la litosfera è più forte”.

I collaboratori di Peč al MIT sono l’autore principale e ricercatore Hoji O. Ghafari, l’assistente tecnico Ulrich Mock, la studentessa laureata Hilary Zhang e il professore emerito di geofisica Brian Evans. Tushar Mittal, coautore ed ex ricercatore post-dottorato dell’EAPS, è ora professore assistente presso la Pennsylvania State University.

Frazione e flusso

La crosta terrestre viene spesso paragonata alla crosta di una mela. Nel suo spessore massimo, la crosta può raggiungere una profondità di 70 chilometri (45 miglia), una piccola frazione del diametro totale della Terra di 12.700 chilometri (7.900 miglia). Tuttavia, le rocce che compongono la sottile crosta del pianeta variano notevolmente in termini di resistenza e stabilità. I geologi concludono che le rocce vicino alla superficie sono fragili e si rompono facilmente, rispetto alle rocce a profondità maggiori, dove le enormi pressioni e il calore del nucleo possono far scorrere le rocce.

Il fatto che le rocce siano fragili in superficie e più morbide in profondità significa che deve esserci uno stadio intermedio, uno stadio in cui le rocce passano dall’una all’altra e possono avere le proprietà di entrambe, essendo in grado di fratturarsi come il granito e fluire. Come miele. Questa “transizione dalla fragilità all’elasticità” non è ben compresa, anche se i geologi ritengono che potrebbe essere il punto in cui le rocce sono più forti all’interno della crosta terrestre.

“Questo stato di transizione di flusso parziale, di fratturazione parziale, è davvero importante, perché pensiamo che sia lì che la forza della litosfera raggiunge il picco e dove si nucleano i terremoti più grandi”, afferma Beach. “Ma non abbiamo una buona conoscenza di questo tipo di comportamento misto.”

Lui e i suoi colleghi stanno studiando come la forza e la stabilità delle rocce, siano esse fragili, duttili o una via di mezzo, varia in base ai difetti microscopici delle rocce. La dimensione, la densità e la distribuzione di difetti come crepe microscopiche, fessure e pori possono influenzare la fragilità o la duttilità di una roccia.

Ma misurare i difetti microscopici nelle rocce, in condizioni che imitano le diverse pressioni e profondità della Terra, non è un compito facile. Ad esempio, non esiste una tecnologia di imaging ottico che consenta agli scienziati di vedere all’interno delle rocce per mapparne i difetti microscopici. Quindi il team si è rivolto agli ultrasuoni, l’idea che qualsiasi onda sonora che viaggia attraverso una roccia dovrebbe rimbalzare, vibrare e riflettere eventuali crepe e fessure microscopiche, in modi specifici che dovrebbero rivelare qualcosa sulla struttura di tali faglie.

Tutte queste faglie generano anche i propri suoni quando si muovono sotto pressione, quindi scandagliare attivamente le rocce e ascoltarle dovrebbe fornire loro una grande quantità di informazioni. Hanno scoperto che l’idea dovrebbe funzionare con gli ultrasuoni a frequenze di megahertz.

“Beach spiega che questo tipo di metodo ad ultrasuoni è simile a quello che fanno i sismologi in natura, ma a frequenze molto più elevate. “Questo ci aiuta a comprendere la fisica che si verifica su scala microscopica quando queste rocce si deformano”.

Una roccia in un posto difficile

Nei loro esperimenti, il team ha testato cilindri di marmo di Carrara.

“È lo stesso materiale con cui è stato realizzato il David di Michelangelo”, osserva Beach. “È un materiale ben caratterizzato e sappiamo esattamente cosa dovrebbe fare.”

Il team ha posizionato ciascun cilindro di marmo in un dispositivo simile a una morsa fatto di pistoni in alluminio, zirconio e acciaio, che insieme possono generare pressioni estreme. Hanno posizionato la morsa in una camera pressurizzata, quindi hanno sottoposto ciascun cilindro a pressioni simili a quelle subite dalle rocce della crosta terrestre.

Mentre frantumavano lentamente ciascuna roccia, il team ha inviato impulsi di ultrasuoni sulla parte superiore del campione, registrando il modello sonoro che emergeva dal fondo. Quando i sensori non pulsavano, ascoltavano eventuali emissioni acustiche naturali.

Hanno scoperto che all’estremità inferiore dell’intervallo di pressione, dove le rocce sono fragili, il marmo in realtà formava improvvise fratture in risposta e le onde sonore assomigliavano a grandi picchi a bassa frequenza. Alle pressioni più elevate, dove le rocce sono più morbide, le onde sonore assomigliavano a un crepitio più forte. Il team ritiene che questo crepitio sia causato da difetti microscopici chiamati turbolenze che poi si diffondono e scorrono come una valanga.

“Per la prima volta, abbiamo registrato i ‘suoni’ che le rocce producono quando si deformano durante la transizione da fragili a duttili, e abbiamo collegato questi suoni ai singoli difetti microscopici che causano”, spiega Beach. “Abbiamo scoperto che questi difetti cambiano drasticamente le loro dimensioni e la velocità di propagazione mentre attraversano questa transizione. È più complicato di quanto si pensasse.”

Le caratterizzazioni delle rocce e delle loro faglie a diverse pressioni da parte del team possono aiutare gli scienziati a stimare come si comporta la crosta terrestre a diverse profondità, ad esempio come le rocce si fratturano in un terremoto o come scorrono in un’eruzione vulcanica.

“Quando le rocce in parte si rompono e in parte scorrono, come si riflette nel ciclo dei terremoti? E ​​in che modo ciò influenza il movimento del magma attraverso una rete di rocce? Queste sono domande ampie che possono essere affrontate con ricerche come questa”, afferma Beach.

Riferimento: “Dinamica dei difetti microstrutturali durante la transizione fragile-duttile” di Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang e Brian Evans, 9 ottobre 2023, Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Questa ricerca è stata sostenuta in parte dalla National Science Foundation.