Assinaturas sônicas: como os geólogos do MIT estão mapeando as camadas ocultas da Terra

Os cientistas do MIT descobriram que os sons sob os nossos pés são impressões digitais da estabilidade das rochas.

Se você pudesse penetrar na crosta terrestre, você poderia ouvir, com um ouvido cuidadosamente atento, uma cacofania de estrondos e estalos ao longo do caminho. As fissuras, poros e defeitos que atravessam as rochas são como cordas que ressoam quando pressionadas e tensionadas. E como uma equipe de MIT descobriram os geólogos, o ritmo e a velocidade desses sons podem dizer algo sobre a profundidade e a força das rochas ao seu redor.

“Se você estivesse ouvindo as rochas, elas cantariam cada vez mais alto, quanto mais fundo você vai”, diz o geólogo do MIT Matěj Peč.

Peč e os seus colegas estão a ouvir rochas para ver se surgem padrões acústicos ou “impressões digitais” quando sujeitas a diversas pressões. Em estudos de laboratório, demonstraram agora que amostras de mármore, quando submetidas a baixas pressões, emitem “booms” graves, enquanto a pressões mais elevadas, as rochas geram uma “avalanche” de estalos agudos.

Aplicações práticas

Peč diz que esses padrões acústicos nas rochas podem ajudar os cientistas a estimar os tipos de rachaduras, fissuras e outros defeitos que a crosta terrestre experimenta com a profundidade, que eles podem então usar para identificar regiões instáveis ​​abaixo da superfície, onde há potencial para terremotos ou erupções. . Os resultados da equipe, publicados no dia 9 de outubro no Anais da Academia Nacional de Ciênciastambém poderia ajudar a informar os esforços dos topógrafos para perfurar energia geotérmica renovável.

“Se quisermos explorar essas fontes geotérmicas muito quentes, teremos que aprender a perfurar rochas que estão nesta condição mista, onde não são puramente frágeis, mas também fluem um pouco”, diz Peč, que está professor assistente no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Mas, no geral, esta é uma ciência fundamental que pode nos ajudar a compreender onde a litosfera é mais forte.”

Os colaboradores de Peč no MIT são o autor principal e cientista pesquisador Hoagy O. Ghaffari, o associado técnico Ulrich Mok, a estudante de pós-graduação Hilary Chang e o professor emérito de geofísica Brian Evans. Tushar Mittal, coautor e ex-pós-doutorado da EAPS, é agora professor assistente na Penn State University.

Fratura e Fluxo

A crosta terrestre é frequentemente comparada à casca de uma maçã. Na sua parte mais espessa, a crosta pode ter 70 quilómetros (45 milhas) de profundidade – uma pequena fracção do diâmetro total do globo, de 12.700 quilómetros (7.900 milhas). E, no entanto, as rochas que constituem a fina casca do planeta variam muito em termos de resistência e estabilidade. Os geólogos inferem que as rochas próximas à superfície são frágeis e fraturam facilmente, em comparação com rochas em profundidades maiores, onde pressões imensas e o calor do núcleo podem fazer as rochas fluirem.

O fato de as rochas serem frágeis na superfície e mais dúcteis em profundidade implica que deve haver um meio-termo – uma fase na qual as rochas transitam de uma para a outra, e podem ter propriedades de ambas, capazes de fraturar como o granito, e fluir. como mel. Esta “transição de frágil para dúctil” não é bem compreendida, embora os geólogos acreditem que pode ser o local onde as rochas são mais fortes dentro da crosta.

“Este estado de transição de parte fluindo e parte fraturando é realmente importante, porque é onde pensamos que está o pico da força da litosfera e onde ocorrem os maiores terremotos”, diz Peč. “Mas não temos um bom controle sobre esse tipo de comportamento de modo misto.”

Ele e seus colegas estão estudando como a resistência e a estabilidade das rochas – sejam elas frágeis, dúcteis ou algo intermediário – variam, com base nos defeitos microscópicos da rocha. O tamanho, a densidade e a distribuição de defeitos como rachaduras microscópicas, fissuras e poros podem determinar o quão frágil ou dúctil uma rocha pode ser.

Mas medir os defeitos microscópicos nas rochas, sob condições que simulam as diversas pressões e profundidades da Terra, não é uma tarefa trivial. Não existe, por exemplo, nenhuma técnica de imagem visual que permita aos cientistas ver o interior das rochas para mapear as suas imperfeições microscópicas. Então a equipe recorreu ao ultrassom e à ideia de que qualquer onda sonora que viajasse através de uma rocha deveria saltar, vibrar e refletir em quaisquer rachaduras e fendas microscópicas, de maneiras específicas que deveriam revelar algo sobre o padrão desses defeitos.

Todos esses defeitos também gerarão seus próprios sons quando se movem sob estresse e, portanto, tanto a sondagem ativa através da rocha quanto a audição devem fornecer-lhes uma grande quantidade de informações. Eles descobriram que a ideia deveria funcionar com ondas de ultrassom, em frequências de megahertz.

“Esse tipo de método de ultrassom é análogo ao que os sismólogos fazem na natureza, mas em frequências muito mais altas”, explica Peč. “Isso nos ajuda a entender a física que ocorre em escala microscópica, durante a deformação dessas rochas.”

Uma rocha em um lugar difícil

Em seus experimentos, a equipe testou cilindros de mármore de Carrara.

“É o mesmo material com que é feito o David de Michaelangelo”, observa Peč. “É um material muito bem caracterizado e sabemos exatamente o que ele deveria fazer.”

A equipe colocou cada cilindro de mármore em um aparelho semelhante a um torno feito de pistões de alumínio, zircônio e aço, que juntos podem gerar tensões extremas. Eles colocaram o torno em uma câmara pressurizada e, em seguida, submeteram cada cilindro a pressões semelhantes às que as rochas experimentam em toda a crosta terrestre.

À medida que esmagavam lentamente cada rocha, a equipe enviava pulsos de ultrassom pela parte superior da amostra e registrava o padrão acústico que saía pela parte inferior. Quando os sensores não estavam pulsando, eles ouviam quaisquer emissões acústicas que ocorressem naturalmente.

Eles descobriram que na extremidade inferior da faixa de pressão, onde as rochas são quebradiças, o mármore de fato formou fraturas repentinas em resposta, e as ondas sonoras pareciam grandes estrondos de baixa frequência. Nas pressões mais elevadas, onde as rochas são mais dúcteis, as ondas acústicas assemelhavam-se a um crepitar mais agudo. A equipe acredita que esse crepitar foi produzido por defeitos microscópicos chamados luxações, que depois se espalham e fluem como uma avalanche.

“Pela primeira vez, registámos os ‘ruídos’ que as rochas fazem quando são deformadas ao longo desta transição de frágil para dúctil, e ligamos esses ruídos aos defeitos microscópicos individuais que os causam”, diz Peč. “Descobrimos que esses defeitos mudam enormemente seu tamanho e velocidade de propagação à medida que cruzam essa transição. É mais complicado do que as pessoas pensavam.”

As caracterizações das rochas feitas pela equipe e seus defeitos em várias pressões podem ajudar os cientistas a estimar como a crosta terrestre se comportará em várias profundidades, como a forma como as rochas podem fraturar em um terremoto ou fluir em uma erupção.

“Quando as rochas estão parcialmente fraturadas e parcialmente fluindo, como isso retroalimenta o ciclo do terremoto? E como isso afeta o movimento do magma através de uma rede de rochas?” Peč diz. “Essas são questões de maior escala que podem ser abordadas com pesquisas como esta.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation.