Como os geólogos do MIT mapeiam as camadas ocultas da Terra

Cientistas do MIT descobriram que os sons sob nossos pés são impressões digitais que comprovam a estabilidade das rochas.

Se você pudesse mergulhar através da crosta terrestre, você poderia, com um ouvido atento, ouvir explosões e estalos ao longo do caminho. As rachaduras, poros e falhas que atravessam as rochas são como cordas que ressoam quando pressionadas e pressionadas. E como uma equipe de Instituto de Tecnologia de Massachusetts Os geólogos descobriram que o ritmo e o ritmo desses sons podem dizer algo sobre a profundidade e a força das rochas ao seu redor.

“Se você ouvir as rochas, elas cantarão em camadas cada vez mais altas, quanto mais fundo você for”, diz Matej Pietsch, geocientista do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Beach e seus colegas ouvem rochas para ver se há algum padrão sonoro ou “impressão digital” que aparece quando elas são expostas a diferentes pressões. Em estudos de laboratório, demonstraram agora que amostras de mármore, quando submetidas a baixas pressões, emitem “pops” graves, enquanto a pressões mais elevadas, as rochas geram uma “avalanche” de pops agudos.

Aplicações práticas

Beach diz que estes padrões acústicos nas rochas podem ajudar os cientistas a estimar os tipos de fissuras, fissuras e outras falhas profundas na crosta terrestre, que podem então usar para identificar áreas instáveis ​​abaixo da superfície, onde são prováveis ​​terramotos ou erupções vulcânicas. . Os resultados da equipe, publicados em 9 de outubro em Anais da Academia Nacional de Ciênciastambém poderia ajudar a informar os esforços dos topógrafos para explorar energia geotérmica renovável.

“Se quisermos explorar fontes geotérmicas muito quentes, teremos que aprender a perfurar rocha que esteja neste modo misto, onde não é muito frágil, mas também flui um pouco”, diz Beach, que atualmente trabalha em energia geotérmica. Professor Assistente do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT (EAPS). “Mas, em geral, esta é uma ciência básica que pode nos ajudar a entender onde a litosfera é mais forte.”

Os colaboradores de Peč no MIT são o autor principal e cientista pesquisador Hoji O. Ghafari, o assistente técnico Ulrich Mock, a estudante de pós-graduação Hilary Chang e o professor emérito de geofísica Brian Evans. Tushar Mittal, coautor e ex-pesquisador de pós-doutorado da EAPS, é agora professor assistente na Universidade Estadual da Pensilvânia.

Fração e fluxo

A crosta terrestre é frequentemente comparada à crosta de uma maçã. Na sua maior espessura, a crosta pode ter até 70 quilómetros (45 milhas) de profundidade, uma pequena fração do diâmetro total da Terra de 12.700 quilómetros (7.900 milhas). No entanto, as rochas que constituem a fina crosta do planeta variam muito em termos de resistência e estabilidade. Os geólogos concluem que as rochas próximas da superfície são frágeis e quebram-se facilmente, em comparação com as rochas em profundidades maiores, onde enormes pressões e calor do núcleo podem fazer com que as rochas fluam.

O facto de as rochas serem frágeis à superfície e mais macias em profundidade significa que deve haver uma fase intermédia – uma fase em que as rochas transitam de uma para a outra, podendo ter as propriedades de ambas, podendo fraturar como o granito, e fluxo. Como mel. Esta “transição da fragilidade para a elasticidade” não é bem compreendida, embora os geólogos acreditem que pode ser o local onde as rochas são mais fortes na crosta terrestre.

“Este estado de transição de fluxo parcial, fraturamento parcial, é realmente importante, porque pensamos que é onde a força da litosfera atinge o pico e onde os maiores terremotos ocorrem”, diz Beach. “Mas não temos um bom controle sobre esse tipo de comportamento misto.”

Ele e seus colegas estão estudando como a resistência e a estabilidade das rochas – sejam frágeis, dúcteis ou algo entre os dois – variam com base nos defeitos microscópicos das rochas. O tamanho, a densidade e a distribuição de defeitos como rachaduras microscópicas, fissuras e poros podem determinar o quão frágil ou dúctil é uma rocha.

Mas medir defeitos microscópicos em rochas, sob condições que imitam diferentes pressões e profundidades da Terra, não é tarefa fácil. Por exemplo, não existe tecnologia de imagem óptica que permita aos cientistas ver o interior das rochas para mapear os seus defeitos microscópicos. Então a equipe recorreu ao ultrassom, a ideia de que qualquer onda sonora que viajasse através de uma rocha deveria ricochetear, vibrar e refletir quaisquer rachaduras e fissuras microscópicas, de maneiras específicas que deveriam revelar algo sobre o padrão dessas falhas.

Todas essas falhas também gerarão seus próprios sons quando se movem sob pressão, portanto, sondar ativamente através das rochas, bem como ouvi-las, deverá fornecer-lhes uma grande quantidade de informações. Eles descobriram que a ideia deveria funcionar com ultrassom em frequências megahertz.

“Beach explica que esse tipo de método de ultrassom é semelhante ao que os sismólogos fazem na natureza, mas em frequências muito mais altas. “Isso nos ajuda a entender a física que ocorre em escala microscópica à medida que essas rochas se deformam.”

Uma rocha em um lugar difícil

Em seus experimentos, a equipe testou cilindros de mármore de Carrara.

“É o mesmo material com que foi feito o David de Michelangelo”, observa Beach. “É um material bem caracterizado e sabemos exatamente o que deve fazer.”

A equipe colocou cada cilindro de mármore em um dispositivo semelhante a um torno feito de alumínio, zircônio e pistões de aço, que juntos podem gerar pressões extremas. Eles colocaram o torno em uma câmara pressurizada e depois submeteram cada cilindro a pressões semelhantes às experimentadas pelas rochas em toda a crosta terrestre.

À medida que esmagavam lentamente cada rocha, a equipe enviava pulsos de ultrassom pela parte superior da amostra, registrando o padrão sonoro que emergia da parte inferior. Quando os sensores não estavam pulsando, eles ouviam quaisquer emissões acústicas que ocorressem naturalmente.

Eles descobriram que na extremidade inferior da faixa de pressão, onde as rochas são frágeis, o mármore formou fraturas repentinas em resposta, e as ondas sonoras pareciam grandes picos de baixa frequência. Nas pressões mais altas, onde as rochas são mais macias, as ondas sonoras pareciam um estalo mais alto. A equipe acredita que esse estalo é causado por falhas microscópicas chamadas turbulência, que então se espalham e fluem como uma avalanche.

“Pela primeira vez, registámos os ‘sons’ que as rochas emitem quando se deformam durante esta transição de frágeis para dúcteis, e ligamos estes sons aos defeitos microscópicos individuais que causam”, diz Beach. “Descobrimos que esses defeitos mudam drasticamente seu tamanho e velocidade de propagação à medida que passam por essa transição. É mais complicado do que as pessoas pensavam.”

As caracterizações da equipe de rochas e suas falhas em diferentes pressões podem ajudar os cientistas a estimar como a crosta terrestre se comporta em diferentes profundidades, como a forma como as rochas se fraturam em um terremoto ou fluem em uma erupção vulcânica.

“Quando as rochas se partem parcialmente e parcialmente fluem, como é que isso se reflete no ciclo sísmico? E como é que isso afeta o movimento do magma através de uma rede de rochas? Estas são questões amplas que podem ser abordadas com pesquisas como esta”, diz Beach.

Referência: “Dinâmica de defeitos microestruturais durante a transição frágil para dúctil” por Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang e Brian Evans, 9 de outubro de 2023, Anais da Academia Nacional de Ciências.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Esta pesquisa foi apoiada em parte pela National Science Foundation.