Les scientifiques découvrent que les sons sous nos pieds sont des empreintes digitales de la stabilité des roches

Si vous pouviez vous enfoncer à travers la croûte terrestre, vous pourriez entendre, avec une oreille attentive, une cacophanie de boums et de crépitements tout au long du chemin. Les fissures, les pores et les défauts qui traversent les roches sont comme des cordes qui résonnent lorsqu’elles sont pressées et sollicitées. Et comme l’a découvert une équipe de géologues du MIT, le rythme et la cadence de ces sons peuvent vous renseigner sur la profondeur et la force des roches qui vous entourent.

« Si vous écoutiez les rochers, ils chanteraient de plus en plus haut, à mesure que vous descendez », explique Matěj Peč, géologue au MIT.

Peč et ses collègues écoutent des roches pour voir si des motifs acoustiques ou des « empreintes digitales » émergent lorsqu’ils sont soumis à diverses pressions. Dans des études en laboratoire, ils ont maintenant montré que des échantillons de marbre, lorsqu’ils sont soumis à de faibles pressions, émettent des « boums » graves, tandis qu’à des pressions plus élevées, les roches génèrent une « avalanche » de crépitements plus aigus.

Peč affirme que ces modèles acoustiques dans les roches peuvent aider les scientifiques à estimer les types de fissures, fissures et autres défauts que la croûte terrestre subit en profondeur, qu’ils peuvent ensuite utiliser pour identifier les régions instables sous la surface, où il existe un potentiel de tremblements de terre ou d’éruptions. . Les résultats de l’équipe, publiés aujourd’hui dans le Actes de l’Académie nationale des sciencespourrait également aider à éclairer les efforts des géomètres pour forer de l’énergie géothermique renouvelable.

« Si nous voulons exploiter ces sources géothermiques très chaudes, nous devrons apprendre à forer dans des roches qui se trouvent dans cet état de mode mixte, où elles ne sont pas purement fragiles, mais s’écoulent également un peu », explique Peč, qui est professeur adjoint au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. « Mais dans l’ensemble, il s’agit d’une science fondamentale qui peut nous aider à comprendre où la lithosphère est la plus forte. »

Les collaborateurs de Peč au MIT sont l’auteur principal et chercheur Hoagy O. Ghaffari, l’associé technique Ulrich Mok, l’étudiante diplômée Hilary Chang et le professeur émérite de géophysique Brian Evans. Tushar Mittal, co-auteur et ancien postdoctorant de l’EAPS, est maintenant professeur adjoint à la Penn State University.

Fracture et écoulement

La croûte terrestre est souvent comparée à la peau d’une pomme. À son point le plus épais, la croûte peut atteindre 70 kilomètres de profondeur, soit une infime fraction du diamètre total de la planète, soit 12 700 kilomètres. Et pourtant, les roches qui composent la fine couche de la planète varient considérablement en termes de résistance et de stabilité. Les géologues en déduisent que les roches proches de la surface sont fragiles et se fracturent facilement, comparées aux roches situées à de plus grandes profondeurs, où d’immenses pressions et la chaleur du noyau peuvent faire couler les roches.

Le fait que les roches soient fragiles en surface et plus ductiles en profondeur implique qu’il doit y avoir une phase intermédiaire, une phase dans laquelle les roches passent de l’une à l’autre et peuvent avoir les propriétés des deux, capables de se fracturer comme le granit et de s’écouler. comme du miel. Cette « transition fragile-ductile » n’est pas bien comprise, même si les géologues pensent que c’est peut-être là que les roches sont les plus résistantes dans la croûte.

« Cet état de transition, en partie fluide, en partie fracturé, est vraiment important, car c’est là que nous pensons que se trouve le pic de la force de la lithosphère et que les plus grands tremblements de terre se nucléent », explique Peč. « Mais nous ne maîtrisons pas bien ce type de comportement en mode mixte. »

Lui et ses collègues étudient comment la résistance et la stabilité des roches, qu’elles soient fragiles, ductiles ou quelque part entre les deux, varient en fonction des défauts microscopiques d’une roche. La taille, la densité et la répartition des défauts tels que les fissures microscopiques, les fissures et les pores peuvent déterminer la fragilité ou la ductilité d’une roche.

Mais mesurer les défauts microscopiques des roches, dans des conditions simulant les différentes pressions et profondeurs de la Terre, n’est pas une tâche triviale. Il n’existe, par exemple, aucune technique d’imagerie visuelle permettant aux scientifiques de voir l’intérieur des roches et de cartographier leurs imperfections microscopiques. L’équipe s’est donc tournée vers les ultrasons et l’idée selon laquelle toute onde sonore traversant une roche devrait rebondir, vibrer et se refléter sur les fissures et crevasses microscopiques, de manière spécifique qui devrait révéler quelque chose sur la structure de ces défauts.

Tous ces défauts génèrent également leurs propres sons lorsqu’ils se déplacent sous l’effet du stress. Par conséquent, sonder activement la roche et l’écouter devraient leur fournir de nombreuses informations. Ils ont découvert que l’idée devrait fonctionner avec des ondes ultrasonores, à des fréquences mégahertz.

« Ce type de méthode ultrasonore est analogue à ce que font les sismologues dans la nature, mais à des fréquences beaucoup plus élevées », explique Peč. « Cela nous aide à comprendre la physique qui se produit à l’échelle microscopique lors de la déformation de ces roches. »

Un roc dans un endroit dur

Dans leurs expériences, l’équipe a testé des cylindres de marbre de Carrare.

« C’est le même matériau avec lequel est fabriqué le David de Michel-Ange », note Peč. « C’est un matériau très bien caractérisé et nous savons exactement ce qu’il devrait faire. »

L’équipe a placé chaque cylindre de marbre dans un appareil semblable à un étau composé de pistons en aluminium, zirconium et acier, qui, ensemble, peuvent générer des contraintes extrêmes. Ils ont placé l’étau dans une chambre pressurisée, puis ont soumis chaque cylindre à des pressions similaires à celles subies par les roches de la croûte terrestre.

Alors qu’ils écrasaient lentement chaque roche, l’équipe envoyait des impulsions d’ultrasons par le haut de l’échantillon et enregistrait le motif acoustique qui sortait par le bas. Lorsque les capteurs ne pulsaient pas, ils écoutaient les émissions acoustiques naturelles.

Ils ont découvert qu’à l’extrémité inférieure de la plage de pression, là où les roches sont fragiles, le marbre formait effectivement des fractures soudaines en réponse, et les ondes sonores ressemblaient à de grands booms à basse fréquence. Aux pressions les plus élevées, là où les roches sont plus ductiles, les ondes acoustiques ressemblaient à un crépitement plus aigu. L’équipe pense que ces crépitements ont été produits par des défauts microscopiques appelés dislocations qui se propagent ensuite et coulent comme une avalanche.

« Pour la première fois, nous avons enregistré les ‘bruits’ que font les roches lorsqu’elles sont déformées lors de cette transition fragile-ductile, et nous lions ces bruits aux défauts microscopiques individuels qui les provoquent », explique Peč. « Nous avons constaté que ces défauts changent massivement de taille et de vitesse de propagation à mesure qu’ils traversent cette transition. C’est plus compliqué que ce que les gens pensaient. »

Les caractérisations des roches et de leurs défauts par l’équipe à différentes pressions peuvent aider les scientifiques à estimer le comportement de la croûte terrestre à différentes profondeurs, par exemple la façon dont les roches pourraient se fracturer lors d’un tremblement de terre ou s’écouler lors d’une éruption.

« Lorsque les roches se fracturent en partie et s’écoulent en partie, comment cela se répercute-t-il sur le cycle sismique ? Et comment cela affecte-t-il le mouvement du magma à travers un réseau de roches ? » Peč dit. « Ce sont des questions à plus grande échelle qui peuvent être abordées avec des recherches comme celle-ci. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.