MIT 지질학자들이 지구의 숨겨진 층을 매핑하는 방법

지각에서 액체 맨틀까지 암석을 통과하는 균열과 구멍은 소리가 공명할 수 있는 통로와 구멍과 같습니다.

MIT 과학자들은 우리 발 밑에서 나는 소리가 암석의 안정성을 증명하는 지문이라는 사실을 발견했습니다.

만약 당신이 지구의 지각 속으로 잠수할 수 있다면, 주의 깊게 귀를 기울여 길을 따라 폭발음과 딱딱거리는 소리를 들을 수 있을 것입니다. 암석을 관통하는 균열, 기공, 단층은 누르거나 압력을 가하면 공명하는 끈과 같습니다. 그리고 팀으로서 매사추세츠 공과대학 지질학자들은 이러한 소리의 리듬과 속도가 주변 암석의 깊이와 강도에 대해 알려줄 수 있다는 것을 발견했습니다.

MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 지구과학자인 Matej Pietsch는 “바위의 소리를 들으면 더 깊은 곳으로 갈수록 더 높은 층에서 노래할 것입니다.”라고 말합니다.

Beach와 그의 동료들은 암석이 다양한 압력에 노출될 때 나타나는 소리 패턴이나 “지문”이 있는지 확인하기 위해 암석을 들어봅니다. 실험실 연구에서 그들은 대리석 샘플이 낮은 압력에 노출되면 낮은 음의 “팝”을 방출하는 반면, 더 높은 압력에서는 암석이 높은 음의 팝 “눈사태”를 생성한다는 것을 보여주었습니다.

실용적인 적용

Beach는 암석의 이러한 음향 패턴이 과학자들이 지각 깊은 곳의 균열, 균열 및 기타 결함의 유형을 추정하는 데 도움이 될 수 있으며, 이를 사용하여 지진이나 화산 폭발 가능성이 있는 표면 아래의 불안정한 영역을 식별하는 데 사용할 수 있다고 말합니다. . 팀의 결과는 10월 9일에 발표되었습니다. 국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물또한 재생 가능한 지열 에너지를 탐색하려는 조사관의 노력을 알리는 데 도움이 될 수 있습니다.

“매우 뜨거운 지열원을 활용하려면 이 혼합 모드의 암석에 구멍을 뚫는 방법을 배워야 합니다. 암석은 부서지기 쉽지 않지만 약간 흐르기도 합니다.”라고 Beach는 말합니다. 현재 지열에너지 분야에서 일하고 있습니다. MIT(EAPS) 지구, 대기 및 행성 과학과 조교수. “그러나 일반적으로 이것은 암석권이 가장 강한 곳을 이해하는 데 도움이 될 수 있는 기초 과학입니다.”

MIT에서 Peč의 공동 작업자는 수석 저자이자 연구 과학자인 Hoji O입니다. Ghafari, 기술 보조 Ulrich Mock, 대학원생 Hilary Zhang, 지구물리학 명예 교수 Brian Evans. 공동 저자이자 전 EAPS 박사후 연구원인 Tushar Mittal은 현재 펜실베이니아 주립대학교의 조교수입니다.

분수와 흐름

지구의 지각은 종종 사과 껍질에 비유됩니다. 가장 큰 두께에서 지각의 깊이는 최대 70km(45마일)에 달할 수 있으며 이는 지구 전체 직경인 12,700km(7,900마일)의 작은 부분입니다. 그러나 행성의 얇은 지각을 구성하는 암석은 강도와 ​​안정성이 크게 다릅니다. 지질학자들은 표면 근처의 암석은 중심부의 엄청난 압력과 열로 인해 암석이 흐를 수 있는 더 깊은 곳에 있는 암석에 비해 부서지기 쉽고 쉽게 부서진다는 결론을 내렸습니다.

암석이 표면에서 부서지기 쉽고 깊이가 더 부드럽다는 사실은 중간 단계가 있어야 함을 의미합니다. 이 단계는 암석이 하나에서 다른 것으로 전환되고 화강암처럼 부서질 수 있고 두 가지 특성을 모두 가질 수 있습니다. 흐름. 꿀처럼. 이러한 “취성에서 탄력성으로의 전환”은 잘 이해되지 않지만 지질학자들은 이것이 지각 내에서 암석이 가장 강한 곳일 수 있다고 믿고 있습니다.

“부분 흐름, 부분 균열의 전이 상태는 정말 중요합니다. 왜냐하면 이곳이 암석권의 강도가 최고조에 달하고 가장 큰 지진이 핵 생성되는 곳이라고 생각하기 때문입니다.”라고 Beach는 말합니다. “하지만 우리는 이런 종류의 혼합된 행동을 제대로 처리하지 못합니다.”

그와 그의 동료들은 부서지기 쉬운지, 연성인지, 아니면 그 사이인지에 관계없이 암석의 강도와 안정성이 암석의 미세한 결함에 따라 어떻게 달라지는지 연구하고 있습니다. 미세한 균열, 균열 및 기공과 같은 결함의 크기, 밀도 및 분포는 암석이 얼마나 부서지기 쉬운지 또는 연성이 있는지를 결정할 수 있습니다.

그러나 지구의 다양한 압력과 깊이를 모방한 조건에서 암석의 미세한 결함을 측정하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 예를 들어, 과학자들이 암석 내부를 관찰하여 미세한 결함을 매핑할 수 있는 광학 이미징 기술은 없습니다. 그래서 팀은 암석을 통과하는 모든 음파가 반사되어 진동하고 미세한 균열과 균열을 반사해야 한다는 생각인 초음파로 눈을 돌렸습니다. 이러한 결함의 패턴에 대해 특정 방식으로 밝혀야 합니다.

이러한 모든 단층은 압력을 받고 움직일 때 자체적으로 소리를 생성하므로 바위를 통해 소리를 내거나 듣는 것은 많은 정보를 제공해야 합니다. 그들은 이 아이디어가 메가헤르츠 주파수의 초음파와 함께 작동해야 한다는 것을 발견했습니다.

“Beach는 이러한 유형의 초음파 방법이 지진학자가 자연에서 수행하는 것과 유사하지만 주파수가 훨씬 더 높다고 설명합니다. “이것은 암석이 변형될 때 미세한 규모에서 발생하는 물리학을 이해하는 데 도움이 됩니다.”

어려운 곳에 있는 바위

실험에서 팀은 카라라 대리석 원통을 테스트했습니다.

“이것은 미켈란젤로의 다비드상을 만든 것과 동일한 재료입니다”라고 Beach는 말합니다. “이것은 잘 특성화된 물질이며 우리는 그것이 무엇을 해야 하는지 정확히 알고 있습니다.”

팀은 알루미늄, 지르코늄 및 강철 피스톤으로 만들어진 바이스 같은 장치에 각 대리석 실린더를 배치했는데, 이 장치는 함께 극심한 압력을 생성할 수 있습니다. 그들은 바이스를 가압된 챔버에 넣은 다음 각 실린더에 지각 전체의 암석이 경험하는 것과 유사한 압력을 가했습니다.

각 암석을 천천히 부수면서 팀은 샘플 상단에 초음파 펄스를 보내 바닥에서 나오는 소리 패턴을 기록했습니다. 센서가 펄스를 일으키지 않을 때 자연적으로 발생하는 음향 방출을 청취했습니다.

그들은 암석이 부서지기 쉬운 압력 범위의 낮은 끝에서 대리석이 실제로 반응하여 갑작스러운 균열을 형성하고 음파가 큰 저주파 스파이크와 유사하다는 것을 발견했습니다. 암석이 더 부드러워지는 가장 높은 압력에서 음파는 더 큰 딱딱 소리와 비슷했습니다. 팀은 이 딱딱한 소리가 난류라고 불리는 미세한 결함으로 인해 발생하고 눈사태처럼 퍼지고 흐르는 것으로 믿고 있습니다.

“처음으로 우리는 부서지기 쉬운 상태에서 연성 상태로의 전환을 통해 암석이 변형될 때 내는 ‘소리’를 녹음했으며 이러한 소리를 암석이 일으키는 개별적인 미세한 결함과 연결했습니다.”라고 Beach는 말합니다. “우리는 이러한 결함이 이러한 전환을 거치면서 크기와 전파 속도가 극적으로 변한다는 것을 발견했습니다. 사람들이 생각했던 것보다 더 복잡합니다.”

팀의 암석 특성과 다양한 압력에서의 단층은 과학자들이 지진으로 암석이 부서지거나 화산 폭발로 흐르는 것과 같이 지각이 다양한 깊이에서 어떻게 작용하는지 추정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“바위가 부분적으로 부서지고 부분적으로 흐를 때 그것이 지진 주기에 어떻게 반영됩니까? 그리고 그것이 암석 네트워크를 통한 마그마의 움직임에 어떻게 영향을 줍니까? 이것은 이와 같은 연구를 통해 해결할 수 있는 광범위한 질문입니다.”라고 Beach는 말합니다.

참고 자료: Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang 및 Brian Evans의 “취성-연성 전이 중 미세 구조 결함의 역학”, 2023년 10월 9일, 국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물.
도이: 10.1073/pnas.2305667120

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 일부 지원을 받았습니다.