麻省理工学院地质学家利用声波特征绘制地球的隐藏岩层

2023-10-15 12:00:06 来源：cnBeta

从地壳到液态地幔，贯穿岩石的裂缝和孔隙就像通道和空腔，声音可以通过它们产生共鸣。麻省理工学院的科学家发现，我们脚下的声音有着相当稳定性的指纹。如果你能沉入地壳，只要仔细倾听，就会听到沿途的轰鸣声和噼啪声。贯穿岩石的裂缝、孔隙和缺陷就像琴弦，在受到挤压和压力时会产生共鸣。

麻省理工学院的一个地质学家小组发现，这些声音的节奏和步伐可以告诉你周围岩石的深度和强度。

麻省理工学院地质学家马泰伊-佩奇（Matěj Peč）说："如果你在倾听岩石的声音，它们会以越来越高的音调歌唱，你走得越深，它们的音调就越高。"

(资料图片)

佩奇和他的同事们正在倾听岩石的声音，看看在不同压力下是否会出现声学模式或"指纹"。在实验室研究中，他们发现大理石样本在低压下会发出低音调的"轰鸣声"，而在高压下，岩石会发出高音调的"雪崩"声。

EzoicPeč说，岩石中的这些声学模式可以帮助科学家估计地壳随着深度的增加而出现的裂缝、裂隙和其他缺陷的类型，然后他们可以利用这些声学模式来识别地表以下的不稳定区域，这些区域有可能发生地震或火山爆发。该团队的研究成果于10月9日发表在《美国国家科学院院刊》上，也有助于为勘测人员钻探可再生地热能源提供信息。

佩奇是麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的助理教授。他表示，总的来说，这是基础科学，可以帮助我们了解岩石圈最坚固的地方。

佩奇在麻省理工学院的合作者包括主要作者和研究科学家霍吉-O-加法里（Hoagy O. Ghaffari）、技术助理乌尔里希-莫（Ulrich Mok）、研究生希拉里-张（Hilary Chang）和地球物理学名誉教授布莱恩-埃文斯（Brian Evans）。合著者、前 EAPS 博士后 Tushar Mittal 现为宾夕法尼亚州立大学助理教授。

断裂与流动

人们常把地壳比作苹果皮。地壳最厚时可达 70 千米（45 英里）深--仅占地球总直径 12700 千米（7900 英里）的一小部分。然而，构成地球薄薄地壳的岩石在强度和稳定性方面却大相径庭。地质学家推断，地表附近的岩石比较脆，很容易断裂，而更深处的岩石则不同，那里巨大的压力和来自地核的热量可以使岩石流动。

岩石在地表是脆性的，而在深处则更具延展性，这意味着一定存在一个中间阶段--在这个阶段中，岩石从一种向另一种过渡，可能同时具有两种特性，既能像花岗岩一样断裂，又能像蜂蜜一样流动。这种"脆性到韧性的过渡"还不十分清楚，不过地质学家相信，这可能是地壳中岩石最坚固的地方。

佩奇说："这种部分流动、部分断裂的过渡状态非常重要，因为我们认为岩石圈强度的顶峰就在这里，也是最大地震的核心所在。但我们对这种混合模式行为还没有很好的把握。"

他和他的同事们正在研究岩石的强度和稳定性--无论是脆性、韧性还是介于两者之间--是如何根据岩石的微观缺陷而变化的。微观裂缝、裂隙和孔隙等缺陷的大小、密度和分布可以决定岩石的脆性或韧性。

但是，在模拟地球各种压力和深度的条件下测量岩石的微观缺陷并非易事。例如，目前还没有一种视觉成像技术能让科学家看到岩石内部，绘制出岩石的微观缺陷图。因此，研究小组求助于超声波，他们认为，任何声波穿过岩石时，都会在任何微小的裂缝和缝隙中反弹、振动和反射，并以特定的方式显示出这些缺陷的形态。

所有这些缺陷在受力移动时也会产生自己的声音，因此，通过主动探测岩石和聆听岩石的声音都能为他们提供大量信息。他们发现，这个想法应该可以在兆赫兹频率的超声波中实现。

佩奇解释说："这种超声波方法类似于地震学家在自然界中所做的工作，但频率要高得多。这有助于我们了解这些岩石变形过程中在微观尺度上发生的物理现象"。

在实验中，研究小组测试了卡拉拉（意大利地名）大理石的圆柱体。

佩奇指出："卡拉拉大理石与米开朗基罗的《大卫》是同一种材料。这是一种特性非常明确的材料，我们很清楚它应该做什么。"

研究小组将每个大理石圆柱体放置在一个类似老虎钳的装置中，该装置由铝、锆和钢活塞制成，这些材料结合在一起可以产生极大的应力。他们把钳子放在一个加压室中，然后让每个圆柱体承受与岩石在整个地壳中所承受的压力类似的压力。

在缓慢碾压每块岩石的过程中，研究小组通过样本顶部发送超声波脉冲，并记录从底部传出的声波模式。当传感器不发出脉冲时，他们就在倾听任何自然发生的声发射。

他们发现，在压力范围的低端，即岩石较脆的地方，大理石确实会突然断裂，声波就像巨大的低频轰鸣声。在岩石延展性较好的最高压力下，声波类似于音调较高的噼啪声。研究小组认为，这种噼啪声是由被称为位错的微小缺陷产生的，然后像雪崩一样扩散和流动。

佩奇说："我们首次记录了岩石在脆性向韧性转变过程中变形时发出的"噪音"，并将这些噪音与导致噪音的单个微观缺陷联系起来。我们发现，这些缺陷在跨越这一转变时，其尺寸和传播速度会发生巨大变化。这比人们想象的要复杂得多。"