Các nhà khoa học MIT đã phát hiện ra rằng âm thanh dưới chân chúng ta chính là dấu vân tay chứng minh sự vững chắc của đá.

Nếu bạn có thể lặn qua lớp vỏ Trái đất, với đôi tai được điều chỉnh cẩn thận, bạn có thể nghe thấy những tiếng nổ và tiếng nổ trên đường đi. Những vết nứt, lỗ rỗng, đứt gãy xuyên qua đá giống như những sợi dây vang lên khi bị ấn và tạo áp lực. Và với tư cách là một đội Viện Công nghệ Massachusetts Các nhà địa chất đã phát hiện ra rằng nhịp điệu và tốc độ của những âm thanh này có thể cho bạn biết điều gì đó về độ sâu và độ bền của những tảng đá xung quanh bạn.

Matej Pietsch, nhà địa chất học tại Viện Công nghệ Massachusetts, cho biết: “Nếu bạn lắng nghe những tảng đá, chúng sẽ hát ở các lớp ngày càng cao hơn, bạn càng đi sâu hơn”.

Beach và các đồng nghiệp của ông lắng nghe những tảng đá để xem liệu có bất kỳ kiểu âm thanh hay “dấu vân tay” nào xuất hiện khi chúng chịu áp lực khác nhau hay không. Trong các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, giờ đây họ đã chỉ ra rằng các mẫu đá cẩm thạch, khi chịu áp suất thấp, sẽ phát ra những tiếng “bốp” có âm vực thấp, trong khi ở áp suất cao hơn, các tảng đá tạo ra một “tiếng nổ” có âm vực cao.

Ứng dụng thực tế

Beach cho biết những mẫu âm thanh này trong đá có thể giúp các nhà khoa học ước tính các loại vết nứt, vết nứt và các đứt gãy khác nằm sâu trong lớp vỏ Trái đất, sau đó họ có thể sử dụng để xác định các khu vực không ổn định bên dưới bề mặt, nơi có thể xảy ra động đất hoặc phun trào núi lửa. . Kết quả của nhóm, được công bố ngày 9 tháng 10 lúc Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc giacũng có thể giúp thông báo nỗ lực của các nhà khảo sát nhằm khám phá năng lượng địa nhiệt tái tạo.

“Nếu chúng ta muốn khai thác các nguồn địa nhiệt rất nóng, chúng ta sẽ phải học cách khoan vào đá ở chế độ hỗn hợp này, nơi nó không giòn nhưng vẫn chảy một chút,” Beach, người hiện đang hoạt động trong lĩnh vực năng lượng địa nhiệt. . Trợ lý Giáo sư tại Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh tại MIT (EAPS). “Nhưng nói chung, đây là khoa học cơ bản có thể giúp chúng ta hiểu thạch quyển mạnh nhất ở đâu.”

Cộng tác viên của Peč tại MIT là tác giả chính và nhà khoa học nghiên cứu Hoji O. Ghafari, trợ lý kỹ thuật Ulrich Mock, nghiên cứu sinh Hilary Zhang, và Giáo sư danh dự về Địa vật lý Brian Evans. Tushar Mittal, đồng tác giả và cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của EAPS, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học bang Pennsylvania.

Phân số và dòng chảy

Lớp vỏ Trái đất thường được so sánh với lớp vỏ của quả táo. Ở độ dày lớn nhất, lớp vỏ có thể sâu tới 70 km (45 dặm), một phần nhỏ trong tổng đường kính Trái đất là 12.700 km (7.900 dặm). Tuy nhiên, những loại đá tạo nên lớp vỏ mỏng của hành tinh có độ bền và độ ổn định rất khác nhau. Các nhà địa chất kết luận rằng đá gần bề mặt giòn và dễ vỡ hơn so với đá ở độ sâu lớn hơn, nơi áp suất cực lớn và nhiệt từ lõi có thể làm cho đá chảy ra.

Việc đá giòn ở bề mặt và mềm hơn ở độ sâu có nghĩa là phải có một giai đoạn trung gian – giai đoạn trong đó đá chuyển từ đá này sang đá khác và có thể có các đặc tính của cả hai, có thể nứt nẻ như đá granit và chảy. Thích mật ong. “Sự chuyển đổi từ độ giòn sang độ đàn hồi” này vẫn chưa được hiểu rõ, mặc dù các nhà địa chất tin rằng đó có thể là nơi đá mạnh nhất trong lớp vỏ Trái đất.

Beach nói: “Trạng thái chuyển tiếp của dòng chảy một phần, sự đứt gãy một phần, thực sự quan trọng, bởi vì chúng tôi nghĩ đó là nơi mà sức mạnh của thạch quyển đạt đến đỉnh điểm và là nơi xảy ra các trận động đất lớn nhất”. “Nhưng chúng tôi không có cách xử lý tốt với loại hành vi hỗn hợp này.”

Ông và các đồng nghiệp đang nghiên cứu độ bền và độ ổn định của đá – dù là đá giòn, dẻo hay ở mức nào đó ở giữa – thay đổi như thế nào dựa trên các khuyết tật vi mô của đá. Kích thước, mật độ và sự phân bố của các khuyết tật như vết nứt cực nhỏ, vết nứt và lỗ chân lông có thể định hình độ giòn hoặc độ dẻo của đá.

Nhưng việc đo các khuyết tật vi mô trong đá, trong những điều kiện bắt chước áp suất và độ sâu khác nhau của Trái đất, không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Ví dụ, không có công nghệ hình ảnh quang học nào cho phép các nhà khoa học nhìn thấy bên trong đá để lập bản đồ các khiếm khuyết cực nhỏ của chúng. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng sóng siêu âm, ý tưởng cho rằng bất kỳ sóng âm nào truyền qua đá sẽ phản xạ trở lại, rung động và phản xạ bất kỳ vết nứt và vết nứt cực nhỏ nào, theo những cách cụ thể sẽ tiết lộ điều gì đó về mô hình của những đứt gãy đó.

Tất cả những lỗi này cũng sẽ tạo ra âm thanh của riêng chúng khi chúng di chuyển dưới áp lực, vì vậy việc chủ động tạo ra âm thanh xuyên qua các tảng đá cũng như lắng nghe chúng sẽ cung cấp cho chúng rất nhiều thông tin. Họ phát hiện ra rằng ý tưởng này có thể áp dụng được với siêu âm ở tần số megahertz.

“Beach giải thích rằng loại phương pháp siêu âm này tương tự như những gì các nhà địa chấn học làm trong tự nhiên, nhưng ở tần số cao hơn nhiều. “Điều này giúp chúng tôi hiểu được tính chất vật lý xảy ra ở quy mô vi mô khi những tảng đá này biến dạng.”

Một tảng đá ở một nơi khó khăn

Trong thí nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các ống trụ bằng đá cẩm thạch Carrara.

Beach lưu ý: “Đó chính là chất liệu mà bức tượng David của Michelangelo được làm từ đó. “Đó là một vật liệu có đặc tính tốt và chúng tôi biết chính xác nó nên làm gì.”

Nhóm nghiên cứu đã đặt mỗi xi lanh bằng đá cẩm thạch vào một thiết bị giống như cái kẹp làm bằng nhôm, zirconi và các piston bằng thép, cùng nhau có thể tạo ra áp suất cực lớn. Họ đặt cơ cấu này vào một buồng điều áp, sau đó cho mỗi xi lanh chịu áp suất tương tự như áp suất mà đá trải qua trên khắp lớp vỏ Trái đất.

Khi họ từ từ nghiền nát từng tảng đá, nhóm nghiên cứu gửi các xung siêu âm qua phần trên của mẫu, ghi lại mẫu âm thanh phát ra từ phía dưới. Khi các cảm biến không hoạt động, chúng sẽ lắng nghe bất kỳ phát xạ âm thanh nào xảy ra một cách tự nhiên.

Họ phát hiện ra rằng ở đầu dưới của phạm vi áp suất, nơi đá giòn, đá cẩm thạch thực sự hình thành các vết nứt đột ngột để phản ứng và sóng âm thanh giống như các gai lớn tần số thấp. Ở áp suất cao nhất, nơi đá mềm hơn, sóng âm giống như tiếng nổ lớn hơn. Nhóm nghiên cứu tin rằng tiếng nổ này là do các lỗi vi mô gọi là nhiễu loạn, sau đó lan rộng và chảy như một trận tuyết lở.

Beach cho biết: “Lần đầu tiên, chúng tôi đã ghi lại được ‘âm thanh’ mà đá tạo ra khi chúng biến dạng trong quá trình chuyển đổi từ giòn sang dẻo và chúng tôi đã liên kết những âm thanh này với các khuyết tật vi mô riêng lẻ mà chúng gây ra”. “Chúng tôi phát hiện ra rằng những khiếm khuyết này thay đổi kích thước và tốc độ lan truyền một cách đáng kể khi chúng trải qua quá trình chuyển đổi này. Nó phức tạp hơn mọi người nghĩ”.

Đặc tính của đá và các đứt gãy của chúng ở các áp suất khác nhau có thể giúp các nhà khoa học ước tính cách lớp vỏ Trái đất hoạt động ở các độ sâu khác nhau, chẳng hạn như cách đá bị nứt trong một trận động đất hoặc chảy ra khi phun trào núi lửa.

“Khi đá một phần bị vỡ và một phần chảy ra, điều đó được phản ánh như thế nào trong chu kỳ động đất? Và điều đó ảnh hưởng như thế nào đến sự chuyển động của magma xuyên qua mạng lưới đá? Đây là những câu hỏi rộng có thể được giải quyết bằng nghiên cứu như thế này”, Beach nói.

Tham khảo: “Động lực của các khuyết tật cấu trúc vi mô trong quá trình chuyển đổi từ giòn sang dẻo” của Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang và Brian Evans, ngày 9 tháng 10 năm 2023, Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia.