Comment les géologues du MIT cartographient les couches cachées de la Terre

Les scientifiques du MIT ont découvert que les sons sous nos pieds sont des empreintes digitales qui prouvent la stabilité des roches.

Si vous pouviez plonger à travers la croûte terrestre, vous pourriez, avec des oreilles attentives, entendre des explosions et des fissures en cours de route. Les fissures, les pores et les failles qui traversent la roche sont comme des cordes qui résonnent lorsqu’on les presse et les presse. Et en équipe

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Institut de technologie du Massachusetts Les géologues ont découvert que le rythme et la vitesse de ces sons peuvent vous renseigner sur la profondeur et la force des roches qui vous entourent.

“Si vous écoutez des roches, elles chantent de plus en plus haut en couches à mesure que vous plongez profondément”, a déclaré Matej Pietsch, géoscientifique au Massachusetts Institute of Technology.

Beach et ses collègues ont écouté les roches pour voir si des modèles sonores ou des « empreintes digitales » émergeaient lorsqu’elles étaient exposées à différentes pressions. Lors de recherches en laboratoire, ils ont maintenant montré que des échantillons de marbre, lorsqu’ils sont soumis à une basse pression, produiront un son de « claquement » grave, alors qu’à des pressions plus élevées, la roche produira une « avalanche » de sons de claquement aigus.

Application pratique

Beach affirme que les modèles acoustiques de ces roches peuvent aider les scientifiques à estimer les types de fissures, fissures et autres failles profondes dans la croûte terrestre, qu’ils peuvent ensuite utiliser pour identifier les zones instables sous la surface, où des tremblements de terre ou des éruptions volcaniques sont probables. . Résultats des équipes, publiés le 9 octobre à Actes de l’Académie nationale des sciencespeut également aider à éclairer les efforts des géomètres pour explorer l’énergie géothermique renouvelable.

“Si nous voulons exploiter des ressources géothermiques très chaudes, nous devons apprendre à forer dans ces roches à mode mixte, qui sont moins fragiles, mais qui coulent aussi un peu”, a déclaré Beach, qui travaille actuellement dans le domaine de la géothermie. énergie. . Professeur adjoint au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT (EAPS). “Mais en général, 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 Hoji O. Ghafari, l’assistant technique Ulrich Mock, l’étudiante diplômée Hilary Chang et le professeur émérite de géophysique Brian Evans. Tushar Mittal, co-auteur et ancien chercheur postdoctoral à l’EAPS, est maintenant professeur adjoint à la Pennsylvania State University.

Fractions et flux

La croûte terrestre est souvent comparée à la croûte d’une pomme. À sa plus grande épaisseur, la profondeur de la croûte terrestre peut atteindre 70 kilomètres (45 milles), soit seulement une petite partie du diamètre total de la Terre, soit 12 700 kilomètres (7 900 milles). Cependant, les roches qui composent la fine croûte de la planète varient considérablement en termes de résistance et de stabilité. Les géologues concluent que les roches proches de la surface sont fragiles et se brisent facilement, par rapport aux roches situées à de plus grandes profondeurs, où l’énorme pression et la chaleur du noyau peuvent faire couler les roches.

Le fait que les roches soient fragiles en surface et plus molles en profondeur signifie qu’il doit y avoir une étape intermédiaire – une étape où la roche passe d’une roche à une autre et peut avoir les propriétés des deux, étant capable de se fracturer comme le granit et de s’écouler. . Comme du miel. Cette « transition de la fragilité à l’élasticité » n’est pas bien comprise, même si les géologues pensent que c’est peut-être le moment où les roches sont les plus résistantes dans la croûte terrestre.

“L’état de transition d’écoulement partiel, la fracture partielle, est très important, car nous pensons que c’est là que la force de la lithosphère atteint son apogée et que se produisent les plus grands tremblements de terre”, a déclaré Beach. “Mais nous ne pouvons pas bien gérer ce genre de comportement mixte.”

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

Mais mesurer les défauts microscopiques des roches, dans des conditions qui imitent différentes pressions et profondeurs sur Terre, n’est pas une tâche facile. Par exemple, il n’existe aucune technologie d’imagerie optique permettant aux scientifiques de voir l’intérieur des roches pour cartographier leurs défauts microscopiques. L’équipe s’est donc tournée vers les ultrasons, l’idée selon laquelle toute onde sonore traversant la roche devrait rebondir, vibrer et rebondir sur les fissures microscopiques, d’une manière particulière qui révélerait quelque chose sur le modèle de faille.

Toutes ces failles produisent également leurs propres sons lorsqu’elles se déplacent sous pression, donc sonder activement les roches et les écouter fourniront de nombreuses informations. Ils ont découvert que l’idée devrait fonctionner avec des ultrasons à des fréquences mégahertz.

“Beach a expliqué que ce type de méthode ultrasonore est similaire à ce que font les sismologues dans la nature, mais à une fréquence beaucoup plus élevée. “Cela nous aide à comprendre la physique qui se produit à l’échelle microscopique lorsque ces roches changent de forme.”

Un rocher dans un endroit difficile

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

“C’est le même matériau avec lequel le David de Michel-Ange a été fabriqué”, a déclaré Beach. “Il s’agit d’un matériau bien caractérisé et nous savions exactement quoi faire.”

L’équipe a placé chaque cylindre de marbre dans un dispositif composé de pistons en aluminium, zirconium et acier, qui, ensemble, peuvent générer une pression extrême. Ils ont placé l’appareil dans une chambre de pression, puis ont soumis chaque cylindre à une pression similaire à celle subie par les roches de la croûte terrestre.

Tandis qu’ils écrasaient lentement chaque roche, l’équipe envoyait des ondes ultrasonores dans le haut des échantillons, enregistrant les modèles sonores émergeant du dessous. Lorsque les capteurs ne pulsent pas, ils écoutent les émissions acoustiques naturelles.

Ils ont découvert qu’à l’extrémité inférieure de la plage de pression, là où la roche est fragile, le marbre formait en fait des fissures soudaines en réponse, et les ondes sonores ressemblaient à de grandes pointes de basse fréquence. Aux pressions les plus élevées, là où la roche est plus tendre, les ondes sonores ressemblent à un crépitement plus fort. L’équipe pense que ces fissures sont causées par des failles microscopiques appelées turbulences qui se propagent ensuite et s’écoulent comme une avalanche.

“Pour la première fois, nous avons enregistré les ‘sons’ que font les roches lorsqu’elles se déforment lors de la transition de fragile à ductile, et nous avons lié ces sons aux dommages microscopiques qu’elles provoquent”, a déclaré Beach. « Nous avons constaté que ces défauts modifiaient considérablement leur taille et leur vitesse de propagation au cours de cette transition. C’est plus compliqué que ce que les gens pensent.

La caractérisation par l’équipe des roches et des failles à différentes pressions peut aider les scientifiques à prédire le comportement de la croûte terrestre à différentes profondeurs, par exemple la manière dont les roches se fissurent lors de tremblements de terre ou s’écoulent lors d’éruptions volcaniques.

« Lorsque certaines roches se brisent et que d’autres coulent, comment cela se reflète-t-il dans le cycle sismique ? Et comment cela affecte-t-il le mouvement du magma à travers le réseau rocheux ? “Ce sont des questions générales auxquelles on peut répondre grâce à des recherches comme celle-ci”, a déclaré Beach.

Référence : « Dynamique des défauts microstructuraux pendant la transition fragile à ductile » par Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang et Brian Evans, 9 octobre 2023, Actes de l’Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2305667120

Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation.