Cómo los geólogos del MIT mapean las capas ocultas de la Tierra

Las grietas y poros que recorren las rocas, desde la corteza terrestre hasta el manto líquido, son como canales y cavidades a través de las cuales el sonido puede resonar.

Los científicos del MIT han descubierto que los sonidos bajo nuestros pies son huellas dactilares que demuestran la estabilidad de las rocas.

Si pudieras bucear a través de la corteza terrestre, podrías, con un oído cuidadosamente afinado, escuchar explosiones y crujidos a lo largo del camino. Las grietas, poros y fallas que recorren las rocas son como cuerdas que resuenan cuando se presionan y presionan. Y como un equipo de Instituto de Tecnología de Massachusetts Los geólogos han descubierto que el ritmo y el paso de estos sonidos pueden decir algo sobre la profundidad y la fuerza de las rocas que te rodean.

“Si escuchas las rocas, cantarán en capas cada vez más altas a medida que avanzas”, dice Matej Pietsch, geocientífico del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

Beach y sus colegas escuchan rocas para ver si hay patrones de sonido o «huellas digitales» que aparecen cuando se exponen a diferentes presiones. En estudios de laboratorio, ahora han demostrado que las muestras de mármol, cuando se someten a bajas presiones, emiten «estallidos» graves, mientras que a presiones más altas, las rocas generan una «avalancha» de estallidos agudos.

Aplicaciones prácticas

Beach dice que estos patrones acústicos en las rocas pueden ayudar a los científicos a estimar los tipos de grietas, fisuras y otras fallas profundas dentro de la corteza terrestre, que luego pueden usar para identificar áreas inestables debajo de la superficie, donde son probables terremotos o erupciones volcánicas. . Los resultados del equipo, publicados el 9 de octubre en procedimientos de la Academia Nacional de Cienciastambién podría ayudar a informar los esfuerzos de los topógrafos para explorar energía geotérmica renovable.

«Si queremos aprovechar fuentes geotérmicas muy calientes, vamos a tener que aprender a perforar roca que está en este modo mixto, donde no es del todo frágil, pero también fluye un poco», dice Beach, quien Actualmente trabaja en energía geotérmica. . Profesor asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT (EAPS). «Pero en general, esta es una ciencia básica que puede ayudarnos a comprender dónde es más fuerte la litosfera».

Los colaboradores de Peč en el MIT son el autor principal y científico investigador Hoji O. Ghafari, el asistente técnico Ulrich Mock, la estudiante graduada Hilary Chang y el profesor emérito de geofísica Brian Evans. Tushar Mittal, coautor y ex investigador postdoctoral de la EAPS, es ahora profesor asistente en la Universidad Estatal de Pensilvania.

Fracción y flujo

La corteza terrestre a menudo se compara con la corteza de una manzana. En su mayor espesor, la corteza puede tener hasta 70 kilómetros (45 millas) de profundidad, una pequeña fracción del diámetro total de la Tierra de 12.700 kilómetros (7.900 millas). Sin embargo, las rocas que forman la delgada corteza del planeta varían mucho en su fuerza y ​​estabilidad. Los geólogos concluyen que las rocas cercanas a la superficie son frágiles y se rompen fácilmente, en comparación con las rocas a mayores profundidades, donde las enormes presiones y el calor del núcleo pueden hacer que las rocas fluyan.

El hecho de que las rocas sean frágiles en la superficie y más blandas en la profundidad significa que debe haber una etapa intermedia, una etapa en la que las rocas pasan de una a otra, y pueden tener las propiedades de ambas, pudiendo fracturarse como el granito, y fluir. Como la miel. Esta «transición de la fragilidad a la elasticidad» no se comprende bien, aunque los geólogos creen que puede ser el lugar donde las rocas son más fuertes dentro de la corteza terrestre.

«Este estado de transición de flujo parcial y fractura parcial es realmente importante, porque creemos que es allí donde la fuerza de la litosfera alcanza su punto máximo y donde se nuclearn los mayores terremotos», dice Beach. «Pero no tenemos un buen control sobre este tipo de comportamiento mixto».

Él y sus colegas están estudiando cómo la resistencia y la estabilidad de las rocas (ya sean frágiles, dúctiles o intermedias) varían según los defectos microscópicos de las rocas. El tamaño, la densidad y la distribución de defectos como grietas, fisuras y poros microscópicos pueden determinar qué tan frágil o dúctil es una roca.

Pero medir defectos microscópicos en las rocas, en condiciones que imitan diferentes presiones y profundidades de la Tierra, no es una tarea fácil. Por ejemplo, no existe ninguna tecnología de imágenes ópticas que permita a los científicos ver el interior de las rocas para mapear sus defectos microscópicos. Entonces, el equipo recurrió al ultrasonido, la idea de que cualquier onda sonora que viaje a través de una roca debería rebotar, vibrar y reflejar cualquier grieta y fisura microscópicas, de maneras específicas que deberían revelar algo sobre el patrón de esas fallas.

Todas estas fallas también generarán sus propios sonidos cuando se muevan bajo presión, por lo que sonar activamente a través de las rocas y escucharlas debería brindarles una gran cantidad de información. Descubrieron que la idea debería funcionar con ultrasonidos a frecuencias de megahercios.

«Beach explica que este tipo de método de ultrasonido es similar a lo que hacen los sismólogos en la naturaleza, pero con frecuencias mucho más altas. «Esto nos ayuda a comprender la física que ocurre a escalas microscópicas cuando estas rocas se deforman».

Una roca en un lugar difícil

En sus experimentos, el equipo probó cilindros de mármol de Carrara.

«Es el mismo material con el que se hizo el David de Miguel Ángel», señala Beach. «Es un material bien caracterizado y sabemos exactamente qué debe hacer».

El equipo colocó cada cilindro de mármol en un dispositivo similar a un tornillo de banco hecho de pistones de aluminio, circonio y acero, que juntos pueden generar presiones extremas. Colocaron el tornillo de banco en una cámara presurizada y luego sometieron cada cilindro a presiones similares a las que experimentan las rocas en toda la corteza terrestre.

Mientras aplastaban lentamente cada roca, el equipo envió pulsos de ultrasonido a través de la parte superior de la muestra, registrando el patrón de sonido que emergía desde la parte inferior. Cuando los sensores no pulsaban, escuchaban cualquier emisión acústica natural.

Descubrieron que en el extremo inferior del rango de presión, donde las rocas son frágiles, el mármol en realidad formaba fracturas repentinas en respuesta, y las ondas sonoras parecían grandes picos de baja frecuencia. A las presiones más altas, donde las rocas son más blandas, las ondas sonoras parecían un crujido más fuerte. El equipo cree que este crepitar es causado por fallas microscópicas llamadas turbulencias que luego se propagan y fluyen como una avalancha.

«Por primera vez, hemos registrado los ‘sonidos’ que hacen las rocas cuando se deforman durante esta transición de frágiles a dúctiles, y hemos vinculado estos sonidos con los defectos microscópicos individuales que causan», dice Beach. «Descubrimos que estos defectos cambian drásticamente su tamaño y velocidad de propagación a medida que pasan por esta transición. Es más complicado de lo que la gente pensaba».

Las caracterizaciones realizadas por el equipo de las rocas y sus fallas a diferentes presiones pueden ayudar a los científicos a estimar cómo se comporta la corteza terrestre a diferentes profundidades, como por ejemplo cómo las rocas se fracturan en un terremoto o fluyen en una erupción volcánica.

«Cuando las rocas se rompen en parte y en parte fluyen, ¿cómo se refleja eso en el ciclo del terremoto? ¿Y cómo afecta eso al movimiento del magma a través de una red de rocas? Estas son preguntas generales que pueden abordarse con investigaciones como esta», dice Beach.

Referencia: “Dinámica de defectos microestructurales durante la transición frágil a dúctil” por Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang y Brian Evans, 9 de octubre de 2023, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias.