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

Si pudieras sumergirte a través de la corteza terrestre, podrías escuchar, con un oído atento, una cacofanía de estallidos y crujidos a lo largo del camino. Las grietas, poros y defectos que atraviesan las rocas son como cuerdas que resuenan cuando se presionan y tensan. Y como un equipo de MIT Los geólogos han descubierto que el ritmo y el ritmo de estos sonidos pueden informarle sobre la profundidad y la fuerza de las rocas que lo rodean.

“Si escucharas las rocas, cantarían cada vez más alto a medida que bajas”, dice Matěj Peč, geólogo del MIT.

Peč y sus colegas escuchan rocas para ver si surgen patrones acústicos, o “huellas dactilares”, cuando se las somete a diversas presiones. En estudios de laboratorio, han demostrado ahora que las muestras de mármol, cuando se someten a bajas presiones, emiten fuertes «estruendos», mientras que a presiones más altas las rocas generan una «avalancha» de crepitaciones más agudas.

Aplicaciones prácticas

Peč dice que estos patrones acústicos en las rocas pueden ayudar a los científicos a estimar los tipos de grietas, fisuras y otros defectos que la corteza terrestre experimenta en las profundidades, que luego pueden usar para identificar regiones inestables debajo de la superficie, donde existe potencial para terremotos o erupciones. . . Los resultados del equipo, publicados el 9 de octubre en el procedimientos de la Academia Nacional de CienciasTambién podría ayudar a informar los esfuerzos de los topógrafos para perforar en busca de energía geotérmica renovable.

«Si queremos explotar estas fuentes geotérmicas muy calientes, tendremos que aprender a perforar rocas que se encuentran en este estado mixto, donde no son puramente frágiles, sino que también fluyen un poco», dice Peč, quien Es profesor asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. «Pero en general, esta es una ciencia fundamental que puede ayudarnos a comprender dónde es más fuerte la litosfera».

Los colaboradores de Peč en el MIT son el autor principal e investigador Hoagy O. Ghaffari, el asociado técnico Ulrich Mok, la estudiante graduada Hilary Chang y el profesor emérito de geofísica Brian Evans. Tushar Mittal, coautor y ex becario postdoctoral de la EAPS, es ahora profesor asistente en la Universidad Penn State.

Fractura y flujo

La corteza terrestre a menudo se compara con la piel de una manzana. En su punto más grueso, la corteza puede tener 70 kilómetros (45 millas) de profundidad, una pequeña fracción del diámetro total del planeta de 12.700 kilómetros (7.900 millas). Y, sin embargo, las rocas que forman la delgada capa del planeta varían mucho en resistencia y estabilidad. Los geólogos infieren que las rocas cercanas a la superficie son frágiles y se fracturan fácilmente, en comparación con las rocas a mayores profundidades, donde las inmensas presiones y el calor del núcleo pueden hacer que las rocas se hunda.

El hecho de que las rocas sean frágiles en la superficie y más dúctiles en la profundidad implica que debe haber una fase intermedia, una fase en la que las rocas pasan de una a otra y pueden tener las propiedades de ambas, capaces de fracturarse como el granito y fluir. . como la miel. Esta «transición frágil-dúctil» no se comprende bien, aunque los geólogos creen que puede ser el lugar donde las rocas son más fuertes en la corteza.

“Este estado de transición, en parte fluido y en parte fracturado, es realmente importante, porque es allí donde creemos que se encuentra la fuerza máxima de la litosfera y donde se originan los mayores terremotos”, afirma Peč. «Pero no tenemos un buen manejo de este tipo de comportamiento de modo mixto».

Él y sus colegas estudian cómo la resistencia y la estabilidad de las rocas (ya sean frágiles, dúctiles o intermedias) varían, dependiendo de los defectos microscópicos de la roca. El tamaño, la densidad y la distribución de defectos como grietas microscópicas, fisuras y poros pueden determinar la fragilidad o ductilidad de una roca.

Pero medir defectos microscópicos en las rocas, en condiciones que simulan las diferentes presiones y profundidades de la Tierra, no es una tarea trivial. Por ejemplo, no existen técnicas de imágenes visuales que permitan a los científicos ver el interior de las rocas y mapear sus imperfecciones microscópicas. Entonces, el equipo recurrió al ultrasonido y a la idea de que cualquier onda sonora que pase a través de una roca debería rebotar, vibrar y reflejarse en grietas y hendiduras microscópicas, de maneras específicas que deberían revelar algo sobre la estructura de estos defectos.

Todas estas fallas también generan sus propios sonidos cuando se mueven bajo tensión. Por lo tanto, explorar activamente la roca y escucharla debería proporcionarles mucha información. Descubrieron que la idea debería funcionar con ondas ultrasónicas, en frecuencias de megahercios.

«Este tipo de método de ultrasonido es similar al que utilizan los sismólogos en la naturaleza, pero con frecuencias mucho más altas”, explica Peč. «Esto nos ayuda a comprender la física que ocurre a escala microscópica 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 del que está hecho el David de Miguel Ángel”, señala Peč. «Es un material muy 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 tensiones extremas. Colocaron el tornillo de banco en una cámara presurizada y luego sometieron cada cilindro a presiones similares a las que experimentan las rocas de la corteza terrestre.

Mientras aplastaban lentamente cada roca, el equipo envió pulsos de ultrasonido a través de la parte superior de la muestra y registró el patrón acústico que salía por la parte inferior. Cuando los sensores no pulsaban, escuchaban emisiones acústicas naturales.

Descubrieron que en el extremo inferior del rango de presión, donde las rocas son débiles, el mármol en realidad formaba fracturas repentinas en respuesta, y las ondas sonoras sonaban como grandes explosiones de baja frecuencia. A presiones más altas, donde las rocas son más dúctiles, las ondas sonoras sonaban como un crujido más agudo. El equipo cree que estos crepitantes fueron producidos por defectos microscópicos llamados dislocaciones que luego se propagan y fluyen como una avalancha.

«Por primera vez hemos registrado los ‘ruidos’ que producen las rocas cuando se deforman durante esta transición frágil-dúctil, y relacionamos estos ruidos con los defectos microscópicos individuales que los causan», dice Peč. “Descubrimos que estos defectos cambiaron enormemente en tamaño y velocidad de propagación a medida que atravesaban esta transición. Es más complicado de lo que la gente pensaba.

Las caracterizaciones de las rocas y sus defectos a diferentes presiones realizadas por el equipo pueden ayudar a los científicos a estimar cómo se comporta la corteza terrestre a diferentes profundidades, por ejemplo, cómo las rocas podrían fracturarse durante un terremoto o cómo fluyen durante una erupción.

“Cuando las rocas se fracturan en parte y en parte fluyen, ¿cómo afecta eso al ciclo sísmico? ¿Y cómo afecta esto al movimiento del magma a través de una red de rocas? dijo Peč. “Estas son preguntas de mayor escala que pueden abordarse mediante investigaciones como ésta. »

Referencia: “Dinámica de defectos microscópicos durante una transición frágil a dúctil” por Hoagy O’Ghaffari, Matěj Peč, Tushar Mittal, Ulrich Mok, Hilary Chang 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.