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

Les fissures et les pores qui traversent les roches, de la croûte terrestre au manteau liquide, sont comme des canaux et des cavités à travers lesquels le son peut résonner.

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 une oreille attentive, entendre des explosions et des crépitements en cours de route. Les fissures, les pores et les failles qui traversent les roches sont comme des cordes qui résonnent lorsqu’elles sont pressées et mises sous pression. Et en équipe de Massachusetts Institute of Technology Les géologues ont découvert que le rythme et la cadence de ces sons peuvent vous renseigner sur la profondeur et la force des roches qui vous entourent.

« Si vous écoutez des roches, elles chanteront dans des couches de plus en plus hautes, plus vous irez en profondeur », explique Matej Pietsch, géoscientifique au Massachusetts Institute of Technology.

Beach et ses collègues écoutent les roches pour voir s’il y a des modèles sonores ou des « empreintes digitales » qui apparaissent lorsqu’elles sont exposées à différentes pressions. Dans des études en laboratoire, ils ont maintenant montré que les échantillons de marbre, lorsqu’ils sont soumis à de basses pressions, émettent des « pops » graves, tandis qu’à des pressions plus élevées, les roches génèrent une « avalanche » de pops aigus.

Applications pratiques

Beach affirme que ces modèles acoustiques dans les roches peuvent aider les scientifiques à estimer les types de 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. . Les résultats de l’équipe, publiés le 9 octobre à Actes de l’Académie nationale des sciencespourrait également aider à éclairer les efforts des géomètres pour explorer l’énergie géothermique renouvelable.

« Si nous voulons exploiter des sources géothermiques très chaudes, nous allons devoir apprendre à forer dans la roche qui se trouve dans ce mode mixte, où elle n’est pas tout à fait fragile, mais qui coule aussi un peu », explique Beach, qui travaille actuellement dans la géothermie. . 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 Zhang 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.

Fraction et débit

La croûte terrestre est souvent comparée à la croûte d’une pomme. À sa plus grande épaisseur, la croûte peut atteindre 70 kilomètres (45 milles) de profondeur, soit une petite fraction 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, comparées aux roches situées à de plus grandes profondeurs, où d’énormes pressions et chaleur provenant 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 au cours de laquelle les roches passent de l’une à l’autre et peuvent avoir les propriétés des deux, étant capables de se fracturer comme le granit, et couler. comme le miel. Cette « transition de la fragilité à l’élasticité » n’est pas bien comprise, même si les géologues pensent que c’est peut-être là que les roches sont les plus résistantes dans la croûte terrestre.

« Cet état de transition d’écoulement partiel, de fracturation partielle, est vraiment important, car nous pensons que c’est là que la force de la lithosphère culmine et que les plus grands tremblements de terre se nucléent », explique Beach. « Mais nous ne maîtrisons pas bien ce genre de comportement mixte. »

Lui et ses collègues étudient comment la résistance et la stabilité des roches, qu’elles soient fragiles, ductiles ou quelque part entre les deux, varient en fonction des défauts microscopiques des roches. La taille, la densité et la répartition des défauts tels que les fissures microscopiques, les fissures 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 de la 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 une roche devrait rebondir, vibrer et refléter toutes les fissures microscopiques, de manière spécifique, ce qui devrait révéler quelque chose sur la configuration de ces failles.

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

« Beach explique que ce type de méthode ultrasonore est similaire à ce que font les sismologues dans la nature, mais à des fréquences beaucoup plus élevées. « Cela nous aide à comprendre la physique qui se produit à des échelles microscopiques lorsque ces roches se déforment. »

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 », note Beach. « C’est un matériau bien caractérisé et nous savons exactement ce qu’il doit faire. »

L’équipe a placé chaque cylindre de marbre dans un dispositif semblable à un étau composé de pistons en aluminium, zirconium et acier, qui, ensemble, peuvent générer des pressions extrêmes. Ils ont placé l’étau dans une chambre pressurisée, puis ont soumis chaque cylindre à des pressions similaires à celles subies par les roches de la croûte terrestre.

Alors qu’ils écrasaient lentement chaque roche, l’équipe a envoyé des impulsions d’ultrasons sur le dessus de l’échantillon, enregistrant le motif sonore qui émergeait du bas. Lorsque les capteurs ne pulsaient pas, ils écoutaient toute émission acoustique naturelle.

Ils ont découvert qu’à l’extrémité inférieure de la plage de pression, là où les roches sont fragiles, le marbre formait en fait des fractures soudaines en réponse, et les ondes sonores ressemblaient à de grandes pointes de basse fréquence. Aux pressions les plus élevées, là où les roches sont plus molles, les ondes sonores ressemblaient à un crépitement plus fort. L’équipe pense que ces crépitements sont causés 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 cette transition de fragile à ductile, et nous avons lié ces sons aux défauts microscopiques individuels qu’ils provoquent », explique Beach. « Nous avons constaté que ces défauts changent considérablement de taille et de vitesse de propagation au fur et à mesure de cette transition. C’est plus compliqué que ce que les gens pensaient. »

Les caractérisations des roches et de leurs failles par l’équipe à différentes pressions peuvent aider les scientifiques à estimer le comportement de la croûte terrestre à différentes profondeurs, par exemple la façon dont les roches se fracturent lors d’un tremblement de terre ou s’écoulent lors d’une éruption volcanique.

« Lorsque des roches se brisent en partie et s’écoulent en partie, comment cela se reflète-t-il dans le cycle sismique ? Et comment cela affecte-t-il le mouvement du magma à travers un réseau de roches ? Ce sont des questions générales qui peuvent être abordées avec des recherches comme celle-ci », explique 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.

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Delphine Perrault

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