Wie MIT-Geologen die verborgenen Schichten der Erde kartieren

MIT-Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Geräusche unter unseren Füßen Fingerabdrücke sind, die die Stabilität von Gesteinen beweisen.

Wenn Sie durch die Erdkruste tauchen könnten, könnten Sie mit einem sorgfältig geschärften Ohr unterwegs Explosionen und Knistern hören. Die Risse, Poren und Verwerfungen, die durch Gesteine ​​verlaufen, sind wie Saiten, die bei Druck und Druck mitschwingen. Und als Team von Massachusetts Institute of Technology Geologen haben herausgefunden, dass der Rhythmus und das Tempo dieser Geräusche etwas über die Tiefe und Stärke der Felsen um Sie herum verraten können.

„Wenn man Gesteinen zuhört, werden sie in immer höheren Schichten singen, je tiefer man geht“, sagt Matej Pietsch, Geowissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology.

Beach und seine Kollegen hören sich Steine ​​an, um zu sehen, ob es Klangmuster oder „Fingerabdrücke“ gibt, die entstehen, wenn sie unterschiedlichem Druck ausgesetzt werden. In Laborstudien haben sie nun gezeigt, dass Marmorproben bei niedrigem Druck tiefe „Knallgeräusche“ von sich geben, während das Gestein bei höherem Druck eine „Lawine“ hoher Knallgeräusche erzeugt.

Praktische Anwendungen

Laut Beach können diese akustischen Muster in Gesteinen Wissenschaftlern helfen, die Arten von Rissen, Spalten und anderen Verwerfungen tief in der Erdkruste abzuschätzen, die sie dann nutzen können, um instabile Bereiche unter der Oberfläche zu identifizieren, in denen Erdbeben oder Vulkanausbrüche wahrscheinlich sind. . Die Ergebnisse des Teams, veröffentlicht am 9. Oktober unter Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenkann auch dazu beitragen, Vermessungsbemühungen bei der Suche nach erneuerbarer Geothermie zu unterstützen.

„Wenn wir sehr heiße geothermische Quellen erschließen wollen, müssen wir lernen, in Gestein zu bohren, das sich in diesem gemischten Zustand befindet, wo es nicht ganz spröde ist, aber auch ein wenig fließt“, sagt Beach, der arbeitet derzeit in der Geothermie. . Assistenzprofessor in der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften am MIT (EAPS). „Aber im Allgemeinen ist dies grundlegende Wissenschaft, die uns helfen kann zu verstehen, wo die Lithosphäre am stärksten ist.“

Pečs Mitarbeiter am MIT sind der Hauptautor und Forschungswissenschaftler Hoji O. Ghafari, der technische Assistent Ulrich Mock, die Doktorandin Hilary Chang und der emeritierte Professor für Geophysik Brian Evans. Tushar Mittal, Co-Autor und ehemaliger EAPS-Postdoktorand, ist jetzt Assistenzprofessor an der Pennsylvania State University.

Fraktion und Fluss

Die Erdkruste wird oft mit der eines Apfels verglichen. In ihrer größten Dicke kann die Kruste bis zu 70 Kilometer (45 Meilen) tief sein, ein kleiner Bruchteil des Gesamtdurchmessers der Erde von 12.700 Kilometern (7.900 Meilen). Allerdings unterscheiden sich die Gesteine, aus denen die dünne Kruste des Planeten besteht, stark in ihrer Festigkeit und Stabilität. Geologen kommen zu dem Schluss, dass Gesteine ​​in der Nähe der Oberfläche spröde sind und leicht brechen, im Gegensatz zu Gesteinen in größeren Tiefen, wo enorme Drücke und Hitze aus dem Kern das Gestein zum Fließen bringen können.

Die Tatsache, dass Gesteine ​​an der Oberfläche spröde und in der Tiefe weicher sind, bedeutet, dass es ein Zwischenstadium geben muss – ein Stadium, in dem Gesteine ​​von einem zum anderen übergehen und möglicherweise die Eigenschaften beider haben, nämlich wie Granit brechen können, und fließen. Wie Honig. Dieser „Übergang von Sprödigkeit zu Elastizität“ ist nicht genau verstanden, obwohl Geologen glauben, dass er dort stattfinden könnte, wo Gesteine ​​in der Erdkruste am stärksten sind.

„Dieser Übergangszustand des teilweisen Flusses, des teilweisen Bruchs, ist wirklich wichtig, weil wir glauben, dass dort die Stärke der Lithosphäre ihren Höhepunkt erreicht und die größten Erdbeben entstehen“, sagt Beach. „Aber wir haben dieses gemischte Verhalten nicht gut im Griff.“

Er und seine Kollegen untersuchen, wie die Festigkeit und Stabilität von Gesteinen – ob spröde, duktil oder irgendwo dazwischen – aufgrund der mikroskopischen Defekte des Gesteins variiert. Die Größe, Dichte und Verteilung von Defekten wie mikroskopischen Rissen, Spalten und Poren können beeinflussen, wie spröde oder duktil ein Gestein ist.

Aber die Messung mikroskopischer Defekte in Gesteinen unter Bedingungen, die unterschiedliche Drücke und Tiefen der Erde nachahmen, ist keine leichte Aufgabe. Beispielsweise gibt es keine optische Bildgebungstechnologie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, in das Innere von Gesteinen zu blicken und deren mikroskopische Defekte zu kartieren. Also wandte sich das Team dem Ultraschall zu, der Idee, dass jede Schallwelle, die sich durch ein Gestein bewegt, zurückprallen, vibrieren und alle mikroskopischen Risse und Spalten auf bestimmte Weise reflektieren sollte, die etwas über das Muster dieser Verwerfungen verraten sollten.

Alle diese Verwerfungen erzeugen auch ihre eigenen Geräusche, wenn sie sich unter Druck bewegen. Wenn man also aktiv durch die Felsen hindurch sondiert und ihnen zuhört, sollte man ihnen viele Informationen liefern. Sie fanden heraus, dass die Idee mit Ultraschall im Megahertz-Frequenzbereich funktionieren sollte.

„Beach erklärt, dass diese Art der Ultraschallmethode dem ähnelt, was Seismologen in der Natur anwenden, jedoch mit viel höheren Frequenzen. „Dies hilft uns, die Physik zu verstehen, die auf mikroskopischer Ebene bei der Verformung dieser Gesteine ​​auftritt.“

Ein Stein an einem schwierigen Ort

In ihren Experimenten testete das Team Zylinder aus Carrara-Marmor.

„Es ist das gleiche Material, aus dem Michelangelos David gefertigt wurde“, bemerkt Beach. „Es ist ein gut charakterisiertes Material und wir wissen genau, was es tun soll.“

Das Team platzierte jeden Marmorzylinder in einem schraubstockähnlichen Gerät aus Aluminium-, Zirkonium- und Stahlkolben, die zusammen extreme Drücke erzeugen können. Sie platzierten den Schraubstock in einer Druckkammer und setzten dann jeden Zylinder einem Druck aus, der dem Druck ähnelt, dem Gesteine ​​in der gesamten Erdkruste ausgesetzt sind.

Während sie jeden Stein langsam zerkleinerten, sandte das Team Ultraschallimpulse über die Oberseite der Probe und zeichnete das Klangmuster auf, das von der Unterseite ausging. Wenn die Sensoren nicht pulsierten, lauschten sie auf natürlich vorkommende akustische Emissionen.

Sie fanden heraus, dass der Marmor am unteren Ende des Druckbereichs, wo das Gestein spröde ist, als Reaktion tatsächlich plötzliche Brüche bildete und die Schallwellen großen niederfrequenten Spitzen ähnelten. Bei den höchsten Drücken, wo das Gestein weicher ist, ähnelten die Schallwellen einem lauteren Knistern. Das Team geht davon aus, dass dieses Knistern durch mikroskopisch kleine Störungen, sogenannte Turbulenzen, verursacht wird, die sich dann ausbreiten und wie eine Lawine abfließen.

„Zum ersten Mal haben wir die ‚Geräusche‘ aufgezeichnet, die Gesteine ​​machen, wenn sie sich durch diesen Übergang von spröde zu duktil verformen, und wir haben diese Geräusche mit den einzelnen mikroskopischen Defekten verknüpft, die sie verursachen“, sagt Beach. „Wir haben herausgefunden, dass diese Defekte ihre Größe und Ausbreitungsgeschwindigkeit dramatisch ändern, während sie diesen Übergang durchlaufen. Es ist komplizierter, als die Leute dachten.“

Die Charakterisierungen des Teams von Gesteinen und ihren Verwerfungen bei unterschiedlichen Drücken können Wissenschaftlern dabei helfen, abzuschätzen, wie sich die Erdkruste in unterschiedlichen Tiefen verhält, etwa wie Gesteine ​​bei einem Erdbeben brechen oder bei einem Vulkanausbruch fließen.

„Wenn Gesteine ​​teilweise brechen und teilweise fließen, wie spiegelt sich das im Erdbebenzyklus wider? Und wie wirkt sich das auf die Bewegung von Magma durch ein Netzwerk von Gesteinen aus? Das sind weitreichende Fragen, die mit einer solchen Forschung beantwortet werden können“, sagt Beach.

Referenz: „Dynamik mikrostruktureller Defekte während des Übergangs von spröd zu duktil“ von Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang und Brian Evans, 9. Oktober 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt.