MITの地質学者が地球の隠れ層をどのように地図化するか

MITの科学者らは、私たちの足の下の音は岩石の安定性を証明する指紋であることを発見した。

もし地球の地​​殻を潜ることができたら、注意深く耳を整えれば、その途中で爆発音やパチパチ音を聞くことができるかもしれません。 岩石を貫く亀裂、孔、断層は、押されて圧力がかかると共鳴する糸のようなものです。 そしてチームとして マサチューセッツ工科大学 地質学者は、これらの音のリズムとペースから、周囲の岩の深さと強度について何かがわかることを発見しました。

マサチューセッツ工科大学の地球科学者マテイ・ピエチュ氏は、「岩石を聴くと、深くなるほど、より高い層で歌います」と言う。

ビーチと彼の同僚は、岩石を聴いて、さまざまな圧力にさらされたときに現れる音のパターンや「指紋」があるかどうかを確認しました。 実験室での研究では、大理石のサンプルが低圧力にさらされると低音の「ポップ音」を発する一方、高圧では岩石が高音のポップ音の「雪崩」を生成することが判明した。

実用的なアプリケーション

ビーチ氏は、岩石のこうした音響パターンは、科学者が地殻深部の亀裂、亀裂、その他の断層の種類を推定するのに役立ち、それを利用して、地震や火山噴火が発生する可能性が高い地表下の不安定な領域を特定できると述べている。 。 チームの結果は 10 月 9 日に公開されました。 米国科学アカデミーの議事録、再生可能な地熱エネルギーを探求する調査員の取り組みに情報を提供するのにも役立つ可能性があります。

「非常に熱い地熱源を利用したいのであれば、この混合モードにある岩石に穴を開ける方法を学ばなければなりません。岩石は完全に脆いわけではありませんが、少し流れもあるのです」とビーチ氏は言う。現在は地熱エネルギーの分野で働いています。 MIT (EAPS) の地球・大気・惑星科学部門の助教授。 「しかし一般的に、これはリソスフェアがどこで最も強いかを理解するのに役立つ基礎科学です。」

MITにおけるペチ氏の共同研究者は、筆頭著者で研究科学者のホジ・O・ガファリ氏、技術助手のウルリッヒ・モック氏、大学院生のヒラリー・チャン氏、地球物理学の名誉教授ブライアン・エヴァンス氏である。 共著者で元 EAPS 博士研究員である Tushar Mittal 氏は、現在ペンシルバニア州立大学の助教授です。

分数と流れ

地球の地殻はよくリンゴの皮に例えられます。 地殻の厚さが最大の場合、深さは最大 70 キロメートル (45 マイル) にもなりますが、これは地球の総直径 12,700 キロメートル (7,900 マイル) のほんの一部にすぎません。 ただし、惑星の薄い地殻を構成する岩石の強度と安定性は大きく異なります。 地質学者らは、深部の岩石に比べ、地表近くの岩石はもろくて壊れやすいと結論づけており、深部では核からの巨大な圧力と熱によって岩石が流動する可能性がある。

岩石が表面では脆く、深部では柔らかくなるという事実は、中間段階が存在するに違いないことを意味します。この段階では、岩石が一方から他方に移行し、花崗岩のように割れることができ、両方の特性を備えている可能性があります。流れ。 蜂蜜のように。 この「脆さから弾性への移行」はよくわかっていないが、地質学者らは、ここが地殻内で岩石が最も強い場所である可能性があると考えている。

「部分的な流れ、部分的な破砕というこの遷移状態は非常に重要です。なぜなら、それがリソスフェアの強度がピークに達する場所であり、最大の地震が発生する場所であると私たちは考えているからです」とビーチ氏は言う。 「しかし、私たちはこの種の混合行動をうまく処理できません。」

彼と彼の同僚は、岩石の強度と安定性が、脆い、延性がある、またはその中間であるかにかかわらず、岩石の微細な欠陥に基づいてどのように変化するかを研究しています。 微細な亀裂、亀裂、細孔などの欠陥のサイズ、密度、分布によって、岩石の脆さや延性が決まります。

しかし、地球のさまざまな圧力と深さを模倣した条件下で、岩石の微細な欠陥を測定するのは簡単な作業ではありません。 たとえば、科学者が岩石の内部を観察してその微細な欠陥をマッピングできる光学イメージング技術は存在しません。 そこで研究チームは超音波に注目した。岩石の中を伝わる音波は跳ね返り、振動し、微細な亀裂や亀裂を特定の方法で反射することで、断層のパターンについて何かが明らかになるはずだという考えだ。

これらの断層はすべて、圧力を受けて動くときに独自の音を生成するため、岩石を通して積極的に音を鳴らしたり、音を聞いたりすることで、多くの情報が得られるはずです。 彼らは、このアイデアがメガヘルツ周波数の超音波で機能するはずであることを発見しました。

」ビーチ氏は、この種の超音波法は地震学者が自然界で行うものと似ていますが、周波数がはるかに高いと説明します。 「これは、これらの岩石が変形するときに微視的なスケールで起こる物理学を理解するのに役立ちます。」

難しい場所にある岩

実験では、チームはカララ大理石の円柱をテストしました。

「ミケランジェロのダビデ像と同じ素材です」とビーチ氏は指摘する。 「これはよく特徴づけられた材料であり、私たちはそれが何をすべきかを正確に知っています。」

研究チームは、各大理石のシリンダーを、アルミニウム、ジルコニウム、鋼鉄のピストンでできた万力のような装置の中に配置し、これらが組み合わさって極度の圧力を発生させることができるようにした。 彼らはこの万力を加圧室に置き、各シリンダーに地殻中の岩石が受ける圧力と同様の圧力を加えました。

それぞれの岩石をゆっくりと砕きながら、チームはサンプルの上部に超音波パルスを送信し、底部から現れる音のパターンを記録しました。 センサーがパルスを発していないときは、自然に発生する音響放射を検知しました。

研究者らは、岩石が脆くなる圧力範囲の下端では、実際に大理石がそれに応じて突然の亀裂を形成し、音波が大きな低周波スパイクに似ていることを発見した。 岩石が柔らかくなる最高の圧力では、音波はより大きなパチパチ音のように聞こえました。 研究チームは、このパチパチ音は乱流と呼ばれる微細な断層によって引き起こされ、その後雪崩のように広がって流れると考えている。

「私たちは初めて、岩石が脆性から延性に移行する際に変形するときに発する『音』を記録し、これらの音を岩石が引き起こす個々の微細な欠陥と関連付けました」とビーチ氏は言う。 「これらの欠陥は、この移行を経るにつれてサイズと伝播速度が劇的に変化することがわかりました。これは人々が考えていたよりも複雑です。」

さまざまな圧力における岩石とその断層の研究チームの特性評価は、科学者がさまざまな深さで地殻がどのように挙動するか、たとえば地震で岩石がどのように割れるか、火山噴火でどのように流れるかを推定するのに役立つ可能性がある。

「岩石が部分的に壊れ、部分的に流動すると、それは地震サイクルにどのように反映されますか?そして、それは岩石のネットワークを通るマグマの動きにどのように影響しますか?これらは、このような研究で対処できる広範な問題です」とビーチ氏は言います。

参考文献: Hoji Ogavari、Matej Piech、Tushar Mittal、Ulrich Mock、Hilary Zhang、Brian Evans 著「脆性から延性への移行中の微細構造欠陥のダイナミクス」、2023 年 10 月 9 日、 米国科学アカデミーの議事録。
土井: 10.1073/pnas.2305667120

この研究は、国立科学財団によって部分的に支援されました。