الشقوق والثقوب التي تمر عبر الصخور من القشرة الأرضية إلى القشرة السائلة، مثل القنوات والتجاويف التي يمكن أن يتردد فيها الصوت.
لقد وجد علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الأصوات الموجودة تحت أقدامنا هي بصمات أصابع تثبت استقرار الصخور.
إذا غرقت في القشرة الأرضية، بأذن مضبوطة بعناية، يمكنك سماع دوي انفجارات. إن الشقوق والثقوب والتصدعات التي تمر عبر الصخور تشبه الأوتار التي يتردد صداها تحت الضغط والتوتر. وكمجموعة مع لقد وجد الجيولوجيون أن إيقاع وسرعة هذه الأصوات يمكن أن يخبرك عن عمق وقوة الصخور من حولك.
يقول ماتيج بيتش، عالم الجيولوجيا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “إذا كنت تستمع إلى الصخور، فإنها تغني بنغمات أعلى وأعلى، وكلما تعمقت أكثر”.
يستمع Peč وزملاؤه إلى الصخور لمعرفة ما إذا كانت هناك أي أنماط صوتية أو “بصمات أصابع” تظهر أثناء تعرضهم لضغوط مختلفة. في الدراسات المختبرية، تنبعث عينات الرخام، عند تعرضها لضغوط منخفضة، “طفرات” منخفضة الطبقة، بينما عند الضغوط العالية، تنتج الصخور “انهيارًا جليديًا” من الانفجارات عالية الطبقة.
تطبيقات عملية
يقول بيتش إن هذه الأنماط الصوتية في الصخور يمكن أن تساعد العلماء في تقدير أنواع الشقوق والشقوق والعيوب الأخرى التي تحدث في عمق القشرة الأرضية. وتم نشر نتائج اللجنة في 9 أكتوبر وقائع الأكاديمية الوطنية للعلومويمكن أن يساعد أيضًا في إعلام جهود المساحين للتنقيب عن الطاقة الحرارية الأرضية المتجددة.
يقول بيك: “إذا أردنا الاستفادة من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية شديدة الحرارة، علينا أن نتعلم كيفية الحفر في الصخور الموجودة في هذه الحالة المختلطة، حيث لا تكون هشة تمامًا، ولكنها تتدفق قليلاً”. أستاذ مساعد في قسم علوم الأرض والغلاف الجوي والكواكب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (EAPS). “لكن بشكل عام، فإن العلوم الأساسية هي التي تساعدنا على فهم أين يكون الغلاف الصخري أقوى.”
متعاونو Peč في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هم المؤلف الرئيسي وعالم الأبحاث هوجي أو غفاري، والمساعد الفني أولريش موك، وطالب الدراسات العليا هيلاري تشانغ، وأستاذ الجيوفيزياء بريان إيفانز. توشار ميتال، مؤلف مشارك وباحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في EAPS، هو الآن أستاذ مساعد في جامعة ولاية بنسلفانيا.
الكسر والتدفق
غالبًا ما تتم مقارنة قشرة الأرض بقشرة التفاحة. في أقصى سُمكها، قد يصل عمق القشرة إلى 70 كيلومترًا (45 ميلًا)، وهو جزء صغير من إجمالي قطر الأرض البالغ 12700 كيلومتر (7900 ميل). ومع ذلك، فإن الصخور التي تشكل القشرة الرقيقة للكوكب تختلف اختلافًا كبيرًا في قوتها وثباتها. ويتكهن الجيولوجيون بأن الصخور القريبة من السطح تكون أكثر هشاشة وتكسرًا، مقارنة بالصخور الموجودة على أعماق أكبر، حيث تتسبب الضغوط الهائلة والحرارة القادمة من القلب في تدفق الصخور.
ونظرًا لأن الصخور هشة على السطح وشديدة اللدونة في العمق، فلا بد أن يكون هناك مرحلة انتقالية من واحدة إلى أخرى. مثل العسل. هذا “الانتقال الناعم إلى المرن” ليس مفهومًا جيدًا، على الرغم من أن الجيولوجيين يعتقدون أن الصخور قد تكون في أقوى حالاتها داخل القشرة.
يقول بيتش: “إن حالة التدفق الجزئي والتمزق الجزئي هذه مهمة جدًا لأننا نعتقد أن الغلاف الصخري في ذروة قوته وحيث تتنوى أكبر الزلازل”. “لكننا لا نملك التعامل الجيد مع هذا النوع من السلوك المختلط.”
يدرس هو وزملاؤه كيفية اختلاف قوة ومتانة الصخور – سواء كانت هشة أو قابلة للسحب أو في مكان ما بينهما – بناءً على العيوب المجهرية في الصخور. إن حجم وكثافة وتوزيع العيوب، مثل الشقوق المجهرية والشقوق والمسام، يحدد مدى هشاشة الصخور أو ليونتها.
لكن قياس العيوب المجهرية في الصخور في ظل ظروف تحاكي الضغوط والأعماق المختلفة للأرض ليست مهمة تافهة. على سبيل المثال، لا توجد تقنية تصوير بصري تسمح للعلماء برؤية العيوب المجهرية في الصخور داخل الخرائط. لذلك تحول الفريق إلى الموجات فوق الصوتية، وأي موجة صوتية تنتقل عبر الصخور يجب أن ترتد وتهتز وتعكس أي شقوق وشقوق مجهرية، وتكشف شيئًا عن شكل تلك العيوب بطرق محددة.
كل هذه العيوب تصدر أصواتًا خاصة بها عندما تتحرك تحت الضغط، لذا فإن السبر النشط عبر الصخور والاستماع إليها يجب أن يمنحها قدرًا كبيرًا من المعلومات. ووجدوا أن الفكرة يجب أن تعمل مع الموجات فوق الصوتية بترددات ميغاهيرتز.
“يوضح بيك: “يشبه هذا النوع من الموجات فوق الصوتية ما يفعله علماء الزلازل في الطبيعة، ولكن بترددات أعلى. فهو يساعدنا على فهم الفيزياء التي تحدث على المستوى المجهري أثناء تشوه هذه الصخور”.
صخرة في مكان صعب
وفي تجاربهم، اختبر الفريق أسطوانات رخام كارارا.
ويشير بيك إلى أن “إنها نفس المادة التي صنع منها تمثال ديفيد لمايكل أنجلو”. “إنه كائن ذو خصائص جيدة للغاية، ونحن نعرف ما يفترض أن يفعله.”
وضع الفريق كل أسطوانة رخامية في جهاز يشبه الرذيلة مصنوع من مكابس من الألومنيوم والزركونيوم والفولاذ، والتي تخلق معًا ضغوطًا شديدة. لقد وضعوا الملزمة في غرفة مضغوطة ثم أخضعوا كل أسطوانة للضغوط التي تتعرض لها الصخور في جميع أنحاء القشرة الأرضية.
أثناء قيامهم بسحق كل صخرة بلطف، أرسل الفريق نبضات فوق صوتية فوق الجزء العلوي من العينة وسجلوا نمط الصوت المنبعث من الأسفل. عندما لم تكن أجهزة الاستشعار تنبض، كانت تستمع إلى انبعاثات الصوت التي تحدث بشكل طبيعي.
وفي الطرف الأدنى من نطاق الضغط الذي تكون عنده الصخور هشة، أصيب الرخام بالفعل بكسور مفاجئة، ووجدوا أن الموجات الصوتية تشبه طفرات كبيرة منخفضة التردد. عند الضغوط الأعلى، حيث تكون الصخور أكثر ليونة، تشبه الموجات الصوتية انفجارًا عالي الطبقة. ويعتقد الفريق أن الثوران نتج عن أخطاء مجهرية تسمى الاضطرابات، والتي انتشرت بعد ذلك مثل الانهيار الجليدي.
يقول بيك: “لأول مرة، سجلنا “الضوضاء” التي تصدرها الصخور أثناء تشوهها في هذا التحول النبضي الهش، وربطنا هذه الضوضاء بالعيوب الدقيقة الفردية التي تسببها”. “لقد وجدنا أن هذه العيوب تغير بشكل جذري حجمها وسرعة انتشارها أثناء مرورها خلال هذا التحول. إنه أكثر تعقيدًا مما يعتقده الناس.
ستساعد خصائص صخور المجموعة وتشوهاتها تحت ضغوط مختلفة العلماء على تقدير كيفية تصرف قشرة الأرض عند أعماق مختلفة، مثل كيفية تكسر الصخور في زلزال أو تدفقها في انفجار.
“عندما تتكسر الصخور جزئيًا وتتدفق جزئيًا، كيف ينعكس ذلك في دورة الزلزال؟ كيف يؤثر ذلك على حركة الصهارة عبر شبكة الصخور؟” يقول بيتش. “هذه أسئلة واسعة النطاق يمكن معالجتها بأبحاث كهذه.”
المرجع: هوجي أوغافاري، ماتيج بيتش، توشار ميتال، أولريش موك، هيلاري تشانغ، وبريان إيفانز، 9 أكتوبر 2023، “ديناميكيات العيوب الدقيقة أثناء التحول الهش-النبضي” وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2305667120
تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.
