轰隆隆，噼里啪啦，啪啪啪：地壳的声音

如果你能沉入地壳，你可能会听到，用仔细调整的耳朵，沿途传来轰隆隆和噼啪声。穿过岩石的裂缝、孔隙和缺陷就像绳子一样，在按压和受力时会产生共鸣。正如麻省理工学院地质学家团队所发现的那样，这些声音的节奏和节奏可以告诉你周围岩石的深度和强度。

“如果你在听岩石，他们会以越来越高的音调唱歌，你越深入，”麻省理工学院地质学家Matěj Peč说。

Peč和他的同事们正在听岩石，看看在受到各种压力时是否会出现任何声学模式或“指纹”。在实验室研究中，他们现在已经表明，大理石样品在受到低压时会发出低音调的“轰隆声”，而在较高的压力下，岩石会产生高音调的裂纹“雪崩”。

佩奇说，岩石中的这些声学模式可以帮助科学家估计地壳深度所经历的裂缝，裂缝和其他缺陷的类型，然后他们可以用来识别地表以下的不稳定区域，那里有可能发生地震或喷发。该团队的结果今天发表在《 美国国家科学院院刊》上，也可能有助于为测量人员钻探可再生地热能的努力提供信息。

“如果我们想利用这些非常热的地热资源，我们将不得不学习如何钻入处于这种混合模式状态的岩石，在那里它们不是纯粹的脆性，而且会流动一点，”佩奇说，他是麻省理工学院地球，大气和行星科学系（EAPS）的助理教授。“但总的来说，这是基础科学，可以帮助我们了解岩石圈最强的地方。

Peč在麻省理工学院的合作者是主要作者和研究科学家Hoagy O. Ghaffari，技术助理Ulrich Mok，研究生Hilary Chang和地球物理学名誉教授Brian Evans。Tushar Mittal，合著者和前EAPS博士后，现在是宾夕法尼亚州立大学的助理教授。

断裂和流动

地壳经常被比作苹果皮。最厚时，地壳深度可达70公里，仅占全球直径12,700公里的一小部分。然而，构成地球薄皮的岩石在强度和稳定性方面差异很大。地质学家推断，与更深的岩石相比，地表附近的岩石很脆，很容易断裂，在更深的地方，巨大的压力和来自核心的热量可以使岩石流动。

岩石在表面很脆，在深度上更具延展性，这一事实意味着必须有一个中间阶段 – 岩石从一个过渡到另一个的阶段，并且可能具有两者的特性，能够像花岗岩一样断裂，像蜂蜜一样流动。这种“脆性到韧性的转变”尚不清楚，尽管地质学家认为这可能是岩石在地壳中最强的地方。

“这种部分流动，部分破裂的过渡状态非常重要，因为这是我们认为岩石圈强度的峰值和最大地震成核的地方，”佩奇说。“但我们对这种混合模式行为没有很好的处理。

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，延展性还是介于两者之间 – 如何根据岩石的微观缺陷而变化。微观裂缝、裂缝和孔隙等缺陷的大小、密度和分布会影响岩石的脆性或延展性。

但是，在模拟地球各种压力和深度的条件下测量岩石中的微观缺陷并非易事。例如，没有视觉成像技术可以让科学家看到岩石内部，以绘制它们的微观缺陷。因此，研究小组转向超声波，以及任何穿过岩石的声波都应该反弹，振动并反射任何微观裂缝和缝隙，以特定的方式揭示这些缺陷的模式。

当它们在压力下移动时，所有这些缺陷也会产生自己的声音，因此在岩石中积极发声以及聆听岩石都应该为他们提供大量信息。他们发现这个想法应该与兆赫兹频率的超声波一起工作。

“这种超声波方法类似于地震学家在自然界中所做的，但频率要高得多，“Peč解释说。“这有助于我们理解这些岩石变形过程中在微观尺度上发生的物理学。

坚硬的岩石

在他们的实验中，该团队测试了卡拉拉大理石的圆柱体。

“它与米开朗基罗的大卫是用相同的材料制成的，”佩奇指出。“这是一种非常有特征的材料，我们确切地知道它应该做什么。

该团队将每个大理石圆柱体放置在由铝，锆和钢活塞制成的虎钳状装置中，这些活塞共同会产生极端应力。他们将台虎钳放在加压室中，然后对每个圆柱体施加类似于岩石在整个地壳中所经历的压力。

当他们慢慢压碎每块岩石时，研究小组通过样本顶部发送超声波脉冲，并记录从底部退出的声学模式。当传感器没有脉冲时，它们正在监听任何自然发生的声发射。

他们发现，在压力范围的下端，岩石很脆，大理石确实形成了突然的断裂作为回应，声波类似于大的低频轰鸣。在岩石更具延展性的最高压力下，声波类似于更高音调的噼啪声。研究小组认为，这种噼啪声是由称为错位的微观缺陷产生的，然后像雪崩一样扩散和流动。

“我们第一次记录了岩石在这种脆性到延性转变中变形时产生的’噪音’，我们将这些噪音与导致它们的单个微观缺陷联系起来，”Peč说。“我们发现，这些缺陷在跨越这一转变时会大幅改变它们的大小和传播速度。这比人们想象的要复杂得多。

该团队对岩石及其缺陷在不同压力下的表征可以帮助科学家估计地壳在不同深度的行为，例如岩石在地震中如何破裂，或在喷发中流动。

“当岩石部分破裂，部分流动时，它如何反馈到地震周期中？这如何影响岩浆通过岩石网络的运动？”佩奇说。“这些都是更大规模的问题，可以通过这样的研究来解决。

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。