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麻省理工學院地質學家利用聲波特征繪制地球的隱藏巖層

2023-10-15 12:00:06 來源：cnBeta

從地殼到液態(tài)地幔，貫穿巖石的裂縫和孔隙就像通道和空腔，聲音可以通過它們產生共鳴。麻省理工學院的科學家發(fā)現(xiàn)，我們腳下的聲音有著相當穩(wěn)定性的指紋。如果你能沉入地殼，只要仔細傾聽，就會聽到沿途的轟鳴聲和噼啪聲。貫穿巖石的裂縫、孔隙和缺陷就像琴弦，在受到擠壓和壓力時會產生共鳴。

麻省理工學院的一個地質學家小組發(fā)現(xiàn)，這些聲音的節(jié)奏和步伐可以告訴你周圍巖石的深度和強度。

麻省理工學院地質學家馬泰伊-佩奇（Matěj Pe?）說："如果你在傾聽巖石的聲音，它們會以越來越高的音調歌唱，你走得越深，它們的音調就越高。"

(資料圖片)

佩奇和他的同事們正在傾聽巖石的聲音，看看在不同壓力下是否會出現(xiàn)聲學模式或"指紋"。在實驗室研究中，他們發(fā)現(xiàn)大理石樣本在低壓下會發(fā)出低音調的"轟鳴聲"，而在高壓下，巖石會發(fā)出高音調的"雪崩"聲。

EzoicPe?說，巖石中的這些聲學模式可以幫助科學家估計地殼隨著深度的增加而出現(xiàn)的裂縫、裂隙和其他缺陷的類型，然后他們可以利用這些聲學模式來識別地表以下的不穩(wěn)定區(qū)域，這些區(qū)域有可能發(fā)生地震或火山爆發(fā)。該團隊的研究成果于10月9日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上，也有助于為勘測人員鉆探可再生地熱能源提供信息。

佩奇是麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的助理教授。他表示，總的來說，這是基礎科學，可以幫助我們了解巖石圈最堅固的地方。

佩奇在麻省理工學院的合作者包括主要作者和研究科學家霍吉-O-加法里（Hoagy O. Ghaffari）、技術助理烏爾里希-莫（Ulrich Mok）、研究生希拉里-張（Hilary Chang）和地球物理學名譽教授布萊恩-埃文斯（Brian Evans）。合著者、前 EAPS 博士后 Tushar Mittal 現(xiàn)為賓夕法尼亞州立大學助理教授。

斷裂與流動

人們常把地殼比作蘋果皮。地殼最厚時可達 70 千米（45 英里）深--僅占地球總直徑 12700 千米（7900 英里）的一小部分。然而，構成地球薄薄地殼的巖石在強度和穩(wěn)定性方面卻大相徑庭。地質學家推斷，地表附近的巖石比較脆，很容易斷裂，而更深處的巖石則不同，那里巨大的壓力和來自地核的熱量可以使巖石流動。

巖石在地表是脆性的，而在深處則更具延展性，這意味著一定存在一個中間階段--在這個階段中，巖石從一種向另一種過渡，可能同時具有兩種特性，既能像花崗巖一樣斷裂，又能像蜂蜜一樣流動。這種"脆性到韌性的過渡"還不十分清楚，不過地質學家相信，這可能是地殼中巖石最堅固的地方。

佩奇說："這種部分流動、部分斷裂的過渡狀態(tài)非常重要，因為我們認為巖石圈強度的頂峰就在這里，也是最大地震的核心所在。但我們對這種混合模式行為還沒有很好的把握。"

他和他的同事們正在研究巖石的強度和穩(wěn)定性--無論是脆性、韌性還是介于兩者之間--是如何根據(jù)巖石的微觀缺陷而變化的。微觀裂縫、裂隙和孔隙等缺陷的大小、密度和分布可以決定巖石的脆性或韌性。

但是，在模擬地球各種壓力和深度的條件下測量巖石的微觀缺陷并非易事。例如，目前還沒有一種視覺成像技術能讓科學家看到巖石內部，繪制出巖石的微觀缺陷圖。因此，研究小組求助于超聲波，他們認為，任何聲波穿過巖石時，都會在任何微小的裂縫和縫隙中反彈、振動和反射，并以特定的方式顯示出這些缺陷的形態(tài)。

所有這些缺陷在受力移動時也會產生自己的聲音，因此，通過主動探測巖石和聆聽巖石的聲音都能為他們提供大量信息。他們發(fā)現(xiàn)，這個想法應該可以在兆赫茲頻率的超聲波中實現(xiàn)。

佩奇解釋說："這種超聲波方法類似于地震學家在自然界中所做的工作，但頻率要高得多。這有助于我們了解這些巖石變形過程中在微觀尺度上發(fā)生的物理現(xiàn)象"。

在實驗中，研究小組測試了卡拉拉（意大利地名）大理石的圓柱體。

佩奇指出："卡拉拉大理石與米開朗基羅的《大衛(wèi)》是同一種材料。這是一種特性非常明確的材料，我們很清楚它應該做什么。"

研究小組將每個大理石圓柱體放置在一個類似老虎鉗的裝置中，該裝置由鋁、鋯和鋼活塞制成，這些材料結合在一起可以產生極大的應力。他們把鉗子放在一個加壓室中，然后讓每個圓柱體承受與巖石在整個地殼中所承受的壓力類似的壓力。

在緩慢碾壓每塊巖石的過程中，研究小組通過樣本頂部發(fā)送超聲波脈沖，并記錄從底部傳出的聲波模式。當傳感器不發(fā)出脈沖時，他們就在傾聽任何自然發(fā)生的聲發(fā)射。

他們發(fā)現(xiàn)，在壓力范圍的低端，即巖石較脆的地方，大理石確實會突然斷裂，聲波就像巨大的低頻轟鳴聲。在巖石延展性較好的最高壓力下，聲波類似于音調較高的噼啪聲。研究小組認為，這種噼啪聲是由被稱為位錯的微小缺陷產生的，然后像雪崩一樣擴散和流動。

佩奇說："我們首次記錄了巖石在脆性向韌性轉變過程中變形時發(fā)出的"噪音"，并將這些噪音與導致噪音的單個微觀缺陷聯(lián)系起來。我們發(fā)現(xiàn)，這些缺陷在跨越這一轉變時，其尺寸和傳播速度會發(fā)生巨大變化。這比人們想象的要復雜得多。"

研究小組對巖石及其缺陷在不同壓力下的特征描述，可以幫助科學家估計地殼在不同深度的表現(xiàn)，例如巖石在地震中可能如何斷裂，或在噴發(fā)中如何流動。

"當巖石部分斷裂、部分流動時，如何反饋到地震周期中？這又如何影響巖漿在巖石網絡中的流動？"佩奇說。"這些都是可以通過類似的研究來解決的更大規(guī)模的問題。"

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