MIT jeologları Dünya’nın gizli katmanlarını nasıl haritalandırıyor?

MIT bilim insanları, ayaklarımızın altındaki seslerin kayaların sağlamlığını kanıtlayan parmak izleri olduğunu buldu.

Eğer yerkabuğunun içine dalabilseydiniz, dikkatlice ayarlanmış bir kulakla yol boyunca patlamaları ve çıtırtıları duyabilirsiniz. Kayaların içinden geçen çatlaklar, gözenekler ve faylar, basıldığında ve basıldığında yankılanan tellere benzer. Ve bir ekip olarak Massachusetts Teknoloji Enstitüsü Jeologlar, bu seslerin ritminin ve hızının, çevrenizdeki kayaların derinliği ve gücü hakkında size bir şeyler söyleyebileceğini buldu.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden yerbilimci Matej Pietsch, “Kayaları dinlerseniz, daha derine indikçe daha yüksek katmanlarda şarkı söylerler” diyor.

Beach ve meslektaşları, farklı basınçlara maruz kaldıklarında ortaya çıkan herhangi bir ses deseni veya “parmak izi” olup olmadığını görmek için kayaları dinliyorlar. Laboratuvar çalışmalarında, mermer numunelerinin düşük basınca maruz kaldıklarında alçak perdeden “patlamalar” çıkardığını, yüksek basınçlarda ise kayaların yüksek perdeden patlamalardan oluşan bir “çığ” oluşturduğunu gösterdiler.

Pratik uygulamalar

Beach, kayalardaki bu akustik desenlerin, bilim adamlarının yerkabuğunun derinliklerindeki çatlak, yarık ve diğer fay türlerini tahmin etmelerine yardımcı olabileceğini ve bunları daha sonra deprem veya volkanik patlamaların muhtemel olduğu yüzeyin altındaki dengesiz alanları tanımlamak için kullanabileceğini söylüyor. . Takımın sonuçları, 9 Ekim’de yayınlandı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabıaynı zamanda araştırmacıların yenilenebilir jeotermal enerji araştırma çabalarına bilgi sağlamaya da yardımcı olabilir.

Beach, “Çok sıcak jeotermal kaynaklardan faydalanmak istiyorsak, bu karışık modda kayayı nasıl deleceğimizi öğrenmemiz gerekecek, burada oldukça kırılgan değil ama aynı zamanda biraz da akıyor” diyor. şu anda jeotermal enerji alanında çalışmaktadır. MIT (EAPS) Dünya, Atmosfer ve Gezegen Bilimleri Bölümü’nde Yardımcı Doçent. “Fakat genel olarak bu, litosferin nerede en güçlü olduğunu anlamamıza yardımcı olabilecek temel bilimdir.”

Peč’in MIT’deki işbirlikçileri baş yazar ve araştırma bilimcisi Hoji O. Ghafari, teknik asistan Ulrich Mock, yüksek lisans öğrencisi Hilary Zhang ve Jeofizik Fahri Profesörü Brian Evans. Ortak yazar ve eski EAPS doktora sonrası araştırmacısı Tushar Mittal, şu anda Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nde yardımcı doçent olarak görev yapıyor.

Kesir ve akış

Yer kabuğu sıklıkla elma kabuğuna benzetilmektedir. En büyük kalınlığında kabuk, 70 kilometreye (45 mil) kadar derin olabilir; bu, Dünya’nın 12.700 kilometrelik (7.900 mil) toplam çapının küçük bir kısmıdır. Ancak gezegenin ince kabuğunu oluşturan kayaların sağlamlıkları ve stabiliteleri büyük farklılıklar gösteriyor. Jeologlar, çekirdekten gelen muazzam basınç ve ısının kayaların akmasını sağlayabileceği daha derinlerdeki kayalarla karşılaştırıldığında yüzeye yakın kayaların kırılgan olduğu ve kolayca kırılabileceği sonucuna varıyorlar.

Kayaların yüzeyde kırılgan, derinlikte ise daha yumuşak olması, bir ara aşamanın olması gerektiği anlamına gelir; kayaların birinden diğerine geçiş yaptığı ve her ikisinin de özelliklerine sahip olabileceği, granit gibi kırılabileceği bir aşama. akış. Bal gibi. Bu “kırılganlıktan esnekliğe geçiş” tam olarak anlaşılmamıştır, ancak jeologlar bunun Dünya’nın kabuğunda kayaların en güçlü olduğu yer olabileceğine inanmaktadır.

Beach, “Kısmi akışın, kısmi kırılmanın bu geçiş durumu gerçekten önemli, çünkü litosferin gücünün zirve yaptığı ve en büyük depremlerin oluştuğu yerin burası olduğunu düşünüyoruz” diyor. “Fakat bu tür karışık davranışları pek iyi idare edemiyoruz.”

Kendisi ve meslektaşları, kayaların (kırılgan, sünek veya arada bir yerde) mukavemet ve stabilitesinin, kayaların mikroskobik kusurlarına bağlı olarak nasıl değiştiğini inceliyorlar. Mikroskobik çatlaklar, yarıklar ve gözenekler gibi kusurların boyutu, yoğunluğu ve dağılımı bir kayanın ne kadar kırılgan veya yumuşak olacağını şekillendirebilir.

Ancak Dünya’nın farklı basınçlarını ve derinliklerini taklit eden koşullar altında kayalardaki mikroskobik kusurları ölçmek kolay bir iş değildir. Örneğin, bilim adamlarının kayaların içini görmelerine ve mikroskobik kusurlarını haritalandırmalarına olanak tanıyan bir optik görüntüleme teknolojisi yoktur. Bunun üzerine ekip, bir kayanın içinden geçen herhangi bir ses dalgasının geri sıçraması, titreşmesi ve mikroskobik çatlakları ve yarıkları belirli şekillerde yansıtması ve bu fayların yapısı hakkında bir şeyler ortaya çıkarması fikri üzerine ultrasona yöneldi.

Tüm bu faylar basınç altında hareket ettiklerinde kendi seslerini de üreteceklerdir, bu nedenle kayaların arasından aktif olarak ses çıkarmak ve onları dinlemek onlara çok fazla bilgi vermelidir. Fikrin megahertz frekanslarındaki ultrasonla çalışması gerektiğini buldular.

“Beach, bu tür ultrason yönteminin sismologların doğada yaptıklarına benzer olduğunu ancak çok daha yüksek frekanslarda olduğunu açıklıyor. “Bu, kayalar deforme olurken mikroskobik ölçekte ortaya çıkan fiziği anlamamıza yardımcı oluyor.”

Zor bir yerde bir kaya

Ekip, deneylerinde Carrara mermerinden yapılmış silindirleri test etti.

Beach, “Michelangelo’nun Davud heykelinin yapıldığı malzemenin aynısı” diyor. “Bu iyi tanımlanmış bir malzeme ve tam olarak ne yapması gerektiğini biliyoruz.”

Ekip, her bir mermer silindiri alüminyum, zirkonyum ve çelik pistonlardan oluşan ve birlikte aşırı basınç oluşturabilen mengene benzeri bir cihaza yerleştirdi. Mengeneyi basınçlı bir odaya yerleştirdiler ve ardından her bir silindiri, yer kabuğundaki kayaların maruz kaldığına benzer basınçlara maruz bıraktılar.

Ekip, her kayayı yavaşça ezerken, numunenin üst kısmına ultrason darbeleri göndererek alttan ortaya çıkan ses modelini kaydetti. Sensörler darbe vermediğinde, doğal olarak meydana gelen akustik emisyonları dinlediler.

Kayaların kırılgan olduğu basınç aralığının alt ucunda mermerin aslında ani kırılmalar oluşturduğunu ve ses dalgalarının büyük düşük frekanslı sivri uçlara benzediğini buldular. Kayaların daha yumuşak olduğu en yüksek basınçlarda, ses dalgaları daha yüksek bir çıtırtıya benziyordu. Ekip, bu çatırtının türbülans adı verilen ve daha sonra çığ gibi yayılıp akan mikroskobik hatalardan kaynaklandığına inanıyor.

Beach, “İlk defa, kayaların kırılganlıktan sünekliğe geçiş sırasında deforme olduklarında çıkardığı ‘sesleri’ kaydettik ve bu sesleri, neden oldukları bireysel mikroskobik kusurlarla ilişkilendirdik” diyor. “Bu geçişten geçerken bu kusurların boyutlarını ve yayılma hızlarını önemli ölçüde değiştirdiğini bulduk. Bu, insanların düşündüğünden daha karmaşık.”

Ekibin kayaları ve bunların farklı basınçlardaki faylarını tanımlaması, bilim adamlarının yerkabuğunun farklı derinliklerde nasıl davrandığını (örneğin kayaların depremde nasıl kırıldığını veya volkanik bir patlamada nasıl aktığını) tahmin etmelerine yardımcı olabilir.

Beach, “Kayaların bir kısmı kırılıp bir kısmı aktığında, bu durum deprem döngüsüne nasıl yansır? Ve bu, magmanın bir kaya ağı boyunca hareketini nasıl etkiler? Bunlar, bunun gibi araştırmalarla ele alınabilecek geniş kapsamlı sorulardır” diyor.

Referans: Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang ve Brian Evans, 9 Ekim 2023, “Kırılgandan sünekliğe geçiş sırasında mikroyapısal kusurların dinamikleri”, Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.