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麻省理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)家利用聲波特征繪制地球的隱藏巖層

從地殼到液態(tài)地幔，貫穿巖石的裂縫和孔隙就像通道和空腔，聲音可以通過它們產(chǎn)生共鳴。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們腳下的聲音有著相當(dāng)穩(wěn)定性的指紋。如果你能沉入地殼，只要仔細(xì)傾聽，就會(huì)聽到沿途的轟鳴聲和噼啪聲。貫穿巖石的裂縫、孔隙和缺陷就像琴弦，在受到擠壓和壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生共鳴。

麻省理工學(xué)院的一個(gè)地質(zhì)學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)，這些聲音的節(jié)奏和步伐可以告訴你周圍巖石的深度和強(qiáng)度。

麻省理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)家馬泰伊-佩奇（Matěj Pe?）說："如果你在傾聽?zhēng)r石的聲音，它們會(huì)以越來越高的音調(diào)歌唱，你走得越深，它們的音調(diào)就越高。"

(資料圖片)

佩奇和他的同事們正在傾聽?zhēng)r石的聲音，看看在不同壓力下是否會(huì)出現(xiàn)聲學(xué)模式或"指紋"。在實(shí)驗(yàn)室研究中，他們發(fā)現(xiàn)大理石樣本在低壓下會(huì)發(fā)出低音調(diào)的"轟鳴聲"，而在高壓下，巖石會(huì)發(fā)出高音調(diào)的"雪崩"聲。

EzoicPe?說，巖石中的這些聲學(xué)模式可以幫助科學(xué)家估計(jì)地殼隨著深度的增加而出現(xiàn)的裂縫、裂隙和其他缺陷的類型，然后他們可以利用這些聲學(xué)模式來識(shí)別地表以下的不穩(wěn)定區(qū)域，這些區(qū)域有可能發(fā)生地震或火山爆發(fā)。該團(tuán)隊(duì)的研究成果于10月9日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，也有助于為勘測(cè)人員鉆探可再生地?zé)崮茉刺峁┬畔ⅰ?/p>

佩奇是麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系（EAPS）的助理教授。他表示，總的來說，這是基礎(chǔ)科學(xué)，可以幫助我們了解巖石圈最堅(jiān)固的地方。

佩奇在麻省理工學(xué)院的合作者包括主要作者和研究科學(xué)家霍吉-O-加法里（Hoagy O. Ghaffari）、技術(shù)助理烏爾里希-莫（Ulrich Mok）、研究生希拉里-張（Hilary Chang）和地球物理學(xué)名譽(yù)教授布萊恩-埃文斯（Brian Evans）。合著者、前 EAPS 博士后 Tushar Mittal 現(xiàn)為賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授。

斷裂與流動(dòng)

人們常把地殼比作蘋果皮。地殼最厚時(shí)可達(dá) 70 千米（45 英里）深--僅占地球總直徑 12700 千米（7900 英里）的一小部分。然而，構(gòu)成地球薄薄地殼的巖石在強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面卻大相徑庭。地質(zhì)學(xué)家推斷，地表附近的巖石比較脆，很容易斷裂，而更深處的巖石則不同，那里巨大的壓力和來自地核的熱量可以使巖石流動(dòng)。

巖石在地表是脆性的，而在深處則更具延展性，這意味著一定存在一個(gè)中間階段--在這個(gè)階段中，巖石從一種向另一種過渡，可能同時(shí)具有兩種特性，既能像花崗巖一樣斷裂，又能像蜂蜜一樣流動(dòng)。這種"脆性到韌性的過渡"還不十分清楚，不過地質(zhì)學(xué)家相信，這可能是地殼中巖石最堅(jiān)固的地方。

佩奇說："這種部分流動(dòng)、部分?jǐn)嗔训倪^渡狀態(tài)非常重要，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為巖石圈強(qiáng)度的頂峰就在這里，也是最大地震的核心所在。但我們對(duì)這種混合模式行為還沒有很好的把握。"

他和他的同事們正在研究巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性--無論是脆性、韌性還是介于兩者之間--是如何根據(jù)巖石的微觀缺陷而變化的。微觀裂縫、裂隙和孔隙等缺陷的大小、密度和分布可以決定巖石的脆性或韌性。

但是，在模擬地球各種壓力和深度的條件下測(cè)量巖石的微觀缺陷并非易事。例如，目前還沒有一種視覺成像技術(shù)能讓科學(xué)家看到巖石內(nèi)部，繪制出巖石的微觀缺陷圖。因此，研究小組求助于超聲波，他們認(rèn)為，任何聲波穿過巖石時(shí)，都會(huì)在任何微小的裂縫和縫隙中反彈、振動(dòng)和反射，并以特定的方式顯示出這些缺陷的形態(tài)。

所有這些缺陷在受力移動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生自己的聲音，因此，通過主動(dòng)探測(cè)巖石和聆聽?zhēng)r石的聲音都能為他們提供大量信息。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)想法應(yīng)該可以在兆赫茲頻率的超聲波中實(shí)現(xiàn)。

佩奇解釋說："這種超聲波方法類似于地震學(xué)家在自然界中所做的工作，但頻率要高得多。這有助于我們了解這些巖石變形過程中在微觀尺度上發(fā)生的物理現(xiàn)象"。

在實(shí)驗(yàn)中，研究小組測(cè)試了卡拉拉（意大利地名）大理石的圓柱體。

佩奇指出："卡拉拉大理石與米開朗基羅的《大衛(wèi)》是同一種材料。這是一種特性非常明確的材料，我們很清楚它應(yīng)該做什么。"

研究小組將每個(gè)大理石圓柱體放置在一個(gè)類似老虎鉗的裝置中，該裝置由鋁、鋯和鋼活塞制成，這些材料結(jié)合在一起可以產(chǎn)生極大的應(yīng)力。他們把鉗子放在一個(gè)加壓室中，然后讓每個(gè)圓柱體承受與巖石在整個(gè)地殼中所承受的壓力類似的壓力。

在緩慢碾壓每塊巖石的過程中，研究小組通過樣本頂部發(fā)送超聲波脈沖，并記錄從底部傳出的聲波模式。當(dāng)傳感器不發(fā)出脈沖時(shí)，他們就在傾聽任何自然發(fā)生的聲發(fā)射。

他們發(fā)現(xiàn)，在壓力范圍的低端，即巖石較脆的地方，大理石確實(shí)會(huì)突然斷裂，聲波就像巨大的低頻轟鳴聲。在巖石延展性較好的最高壓力下，聲波類似于音調(diào)較高的噼啪聲。研究小組認(rèn)為，這種噼啪聲是由被稱為位錯(cuò)的微小缺陷產(chǎn)生的，然后像雪崩一樣擴(kuò)散和流動(dòng)。

佩奇說："我們首次記錄了巖石在脆性向韌性轉(zhuǎn)變過程中變形時(shí)發(fā)出的"噪音"，并將這些噪音與導(dǎo)致噪音的單個(gè)微觀缺陷聯(lián)系起來。我們發(fā)現(xiàn)，這些缺陷在跨越這一轉(zhuǎn)變時(shí)，其尺寸和傳播速度會(huì)發(fā)生巨大變化。這比人們想象的要復(fù)雜得多。"

研究小組對(duì)巖石及其缺陷在不同壓力下的特征描述，可以幫助科學(xué)家估計(jì)地殼在不同深度的表現(xiàn)，例如巖石在地震中可能如何斷裂，或在噴發(fā)中如何流動(dòng)。

"當(dāng)巖石部分?jǐn)嗔选⒉糠至鲃?dòng)時(shí)，如何反饋到地震周期中？這又如何影響巖漿在巖石網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)？"佩奇說。"這些都是可以通過類似的研究來解決的更大規(guī)模的問題。"

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