Wissenschaftler stellen fest, dass die Geräusche unter unseren Füßen Fingerabdrücke der Stabilität des Gesteins sind

Wenn Sie durch die Erdkruste sinken könnten, könnten Sie mit einem sorgfältig gestimmten Ohr unterwegs eine Kakophanie aus Donnern und Knistern hören. Die Risse, Poren und Defekte, die durch das Gestein verlaufen, sind wie Saiten, die bei Druck und Belastung mitschwingen. Und wie ein Team von MIT-Geologen herausgefunden hat, können der Rhythmus und das Tempo dieser Geräusche etwas über die Tiefe und Stärke der Felsen um Sie herum verraten.

„Wenn man den Steinen zuhören würde, würden sie mit zunehmender Tiefe immer höhere Tonhöhen singen“, sagt MIT-Geologe Matěj Peč.

Peč und seine Kollegen hören den Steinen zu, um zu sehen, ob akustische Muster oder „Fingerabdrücke“ entstehen, wenn sie verschiedenen Belastungen ausgesetzt werden. In Laborstudien haben sie nun gezeigt, dass Marmorproben, wenn sie niedrigen Drücken ausgesetzt werden, tiefe „Booms“ aussenden, während die Gesteine ​​bei höheren Drücken eine „Lawine“ aus höheren Knistern erzeugen.

Peč sagt, dass diese akustischen Muster in Gesteinen Wissenschaftlern helfen können, die Arten von Rissen, Spalten und anderen Defekten abzuschätzen, die die Erdkruste mit der Tiefe erfährt, und diese dann nutzen können, um instabile Regionen unter der Oberfläche zu identifizieren, in denen die Gefahr von Erdbeben oder Eruptionen besteht . Die Ergebnisse des Teams, heute veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenkönnte auch dazu beitragen, die Bemühungen der Gutachter bei Bohrungen nach erneuerbarer Geothermie zu unterstützen.

„Wenn wir diese sehr heißen geothermischen Quellen erschließen wollen, müssen wir lernen, in Gesteine ​​zu bohren, die sich in diesem Mixed-Mode-Zustand befinden, wo sie nicht rein spröde sind, sondern auch ein wenig fließen“, sagt Peč, der es ist Assistenzprofessor am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) des MIT. „Aber insgesamt ist dies eine grundlegende Wissenschaft, die uns helfen kann zu verstehen, wo die Lithosphäre am stärksten ist.“

Pečs Mitarbeiter am MIT sind der Hauptautor und Forschungswissenschaftler Hoagy O. Ghaffari, der technische Mitarbeiter Ulrich Mok, die Doktorandin Hilary Chang und der emeritierte Professor für Geophysik Brian Evans. Tushar Mittal, Co-Autor und ehemaliger EAPS-Postdoc, ist jetzt Assistenzprofessor an der Penn State University.

Bruch und Fluss

Die Erdkruste wird oft mit der Schale eines Apfels verglichen. An ihrer dicksten Stelle kann die Kruste 70 Kilometer tief sein – ein winziger Bruchteil des gesamten Erddurchmessers von 12.700 Kilometern. Und doch unterscheiden sich die Gesteine, aus denen die dünne Schale des Planeten besteht, stark in ihrer Festigkeit und Stabilität. Geologen schließen daraus, dass Gesteine ​​in der Nähe der Oberfläche spröde sind und leicht brechen, im Vergleich 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 duktiler sind, impliziert, dass es ein Dazwischen geben muss – eine Phase, in der Gesteine ​​von einem zum anderen übergehen und Eigenschaften von beidem haben können, sodass sie wie Granit brechen und fließen können wie Honig. Dieser „Übergang von spröd zu duktil“ ist nicht genau verstanden, obwohl Geologen glauben, dass er dort sein könnte, wo Gesteine ​​innerhalb der Kruste am stärksten sind.

„Dieser Übergangszustand des teils fließenden, teils brechenden Zustands ist wirklich wichtig, denn dort liegt unserer Meinung nach der Höhepunkt der Stärke der Lithosphäre und dort entstehen die größten Erdbeben“, sagt Peč. „Aber wir haben diese Art von Mixed-Mode-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 eines Gesteins variiert. Die Größe, Dichte und Verteilung von Defekten wie mikroskopischen Rissen, Spalten und Poren können beeinflussen, wie spröde oder duktil ein Gestein sein kann.

Aber die Messung mikroskopischer Defekte in Gesteinen unter Bedingungen, die die verschiedenen Drücke und Tiefen der Erde simulieren, ist keine triviale Aufgabe. Es gibt beispielsweise keine visuelle Bildgebungstechnik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, in das Innere von Gesteinen zu blicken und deren mikroskopische Unvollkommenheiten zu kartieren. Also wandte sich das Team dem Ultraschall zu und kam auf die Idee, dass jede Schallwelle, die sich durch ein Gestein bewegt, von allen mikroskopischen Rissen und Spalten auf bestimmte Weise abprallen, vibrieren und reflektiert werden sollte, um etwas über das Muster dieser Defekte zu verraten.

Alle diese Defekte erzeugen auch ihre eigenen Geräusche, wenn sie sich unter Stress bewegen, und daher sollten ihnen sowohl das aktive Durchschallen des Gesteins als auch das Zuhören viele Informationen liefern. Sie fanden heraus, dass die Idee mit Ultraschallwellen im Megahertz-Frequenzbereich funktionieren sollte.

„Diese Art von Ultraschallverfahren ähnelt dem, was Seismologen in der Natur machen, allerdings bei viel höheren Frequenzen“, erklärt Peč. „Dies hilft uns, die Physik zu verstehen, die auf mikroskopischer Ebene bei der Verformung dieser Gesteine ​​auftritt.“

Ein Stein an einem harten Ort

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

„Es ist das gleiche Material wie Michaelangelos David“, bemerkt Peč. „Es ist ein sehr gut charakterisiertes Material und wir wissen genau, was es tun soll.“

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

Während sie jeden Stein langsam zerkleinerten, schickte das Team Ultraschallimpulse durch die Oberseite der Probe und zeichnete das akustische Muster auf, das durch die Unterseite austrat. Wenn die Sensoren nicht pulsierten, lauschten sie auf natürlich auftretende akustische Emissionen.

Sie fanden heraus, dass der Marmor am unteren Ende des Druckbereichs, wo das Gestein spröde ist, als Reaktion darauf tatsächlich plötzliche Brüche bildete und die Schallwellen großen, niederfrequenten Knallen ähnelten. Bei den höchsten Drücken, wo das Gestein duktiler ist, ähnelten die Schallwellen einem höheren Knistern. Das Team geht davon aus, dass dieses Knistern durch mikroskopische Defekte, sogenannte Versetzungen, verursacht wurde, die sich dann ausbreiteten und wie eine Lawine flossen.

„Zum ersten Mal haben wir die ‚Geräusche‘ aufgezeichnet, die Gesteine ​​erzeugen, wenn sie sich über diesen Übergang von spröde zu duktil verformen, und wir verknüpfen diese Geräusche mit den einzelnen mikroskopischen Defekten, die sie verursachen“, sagt Peč. „Wir haben herausgefunden, dass diese Defekte ihre Größe und Ausbreitungsgeschwindigkeit massiv ändern, wenn sie diesen Übergang durchlaufen. Es ist komplizierter, als die Leute gedacht hatten.“

Die Charakterisierungen des Teams von Gesteinen und ihren Defekten bei verschiedenen Drücken können Wissenschaftlern dabei helfen, abzuschätzen, wie sich die Erdkruste in verschiedenen Tiefen verhält, beispielsweise wie Gesteine ​​bei einem Erdbeben brechen oder bei einer Eruption fließen könnten.

„Wenn Gesteine ​​teilweise brechen und teilweise fließen, wie wirkt sich das auf den Erdbebenzyklus aus? Und wie wirkt sich das auf die Bewegung von Magma durch ein Gesteinsnetzwerk aus?“ Peč sagt. „Das sind größere Fragen, die mit einer solchen Forschung angegangen werden können.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.