كيف يقوم علماء الجيولوجيا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا برسم خرائط لطبقات الأرض المخفية

إن الشقوق والمسام التي تمر عبر الصخور، من القشرة الأرضية إلى الوشاح السائل، تشبه القنوات والتجاويف التي يمكن أن يتردد الصوت من خلالها.

وجد علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الأصوات الموجودة تحت أقدامنا هي بصمات أصابع تثبت استقرار الصخور.

إذا تمكنت من الغطس عبر القشرة الأرضية، فقد تسمع، بأذن مضبطة بعناية، أصواتًا من الانفجارات والطقطقة على طول الطريق. إن الشقوق والمسام والعيوب التي تمر عبر الصخور تشبه الأوتار التي يتردد صداها عند الضغط عليها والضغط عليها. وكفريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وقد وجد الجيولوجيون أن إيقاع ووتيرة هذه الأصوات يمكن أن يخبرك بشيء عن عمق وقوة الصخور من حولك.

يقول ماتيج بيتش، عالم الجيولوجيا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “إذا كنت تستمع إلى الصخور، فسوف تغني بطبقات أعلى وأعلى، كلما تعمقت أكثر”.

يستمع بيتش وزملاؤه إلى الصخور لمعرفة ما إذا كانت هناك أي أنماط صوتية أو “بصمات أصابع” تظهر عند تعرضها لضغوط مختلفة. في الدراسات المعملية، أظهروا الآن أن عينات الرخام، عند تعرضها لضغوط منخفضة، تنبعث منها “طفرات” منخفضة الطبقة، بينما عند الضغوط الأعلى، تولد الصخور “انهيارًا ثلجيًا” من فرقعات عالية الطبقة.

تطبيقات عملية

يقول بيتش إن هذه الأنماط الصوتية في الصخور يمكن أن تساعد العلماء في تقدير أنواع الشقوق والشقوق والعيوب الأخرى التي تعاني منها قشرة الأرض بعمق، والتي يمكنهم بعد ذلك استخدامها لتحديد المناطق غير المستقرة تحت السطح، حيث توجد احتمالية حدوث زلازل أو ثورات بركانية. . نتائج الفريق، نشرت في 9 أكتوبر في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، يمكن أن يساعد أيضًا في إعلام جهود المساحين للتنقيب عن الطاقة الحرارية الأرضية المتجددة.

“إذا أردنا الاستفادة من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية شديدة الحرارة، فسيتعين علينا أن نتعلم كيفية الحفر في الصخور الموجودة في هذا الوضع المختلط، حيث لا تكون هشة تمامًا، ولكنها تتدفق أيضًا قليلاً”، كما يقول بيتش، الذي يعمل حاليًا في مجال الطاقة الحرارية الأرضية. أستاذ مساعد في قسم علوم الأرض والغلاف الجوي والكواكب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (EAPS). “لكن بشكل عام، هذا علم أساسي يمكن أن يساعدنا في فهم أين يكون الغلاف الصخري أقوى.”

المتعاونون مع Peč في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هم المؤلف الرئيسي وعالم الأبحاث هوجي أو غفاري، والمساعد الفني أولريش موك، وطالب الدراسات العليا هيلاري تشانغ، والأستاذ الفخري للجيوفيزياء 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، يمكن أن يصل عمق القشرة إلى 70 كيلومترًا (45 ميلًا)، وهو جزء صغير من إجمالي قطر الكرة الأرضية الذي يبلغ 12700 كيلومتر (7900 ميل). ومع ذلك، فإن الصخور التي تشكل القشرة الرقيقة للكوكب تختلف اختلافًا كبيرًا في قوتها وثباتها. يستنتج الجيولوجيون أن الصخور القريبة من السطح هشة وتتكسر بسهولة، مقارنة بالصخور الموجودة على أعماق أكبر، حيث يمكن للضغوط الهائلة والحرارة من القلب أن تجعل الصخور تتدفق.

حقيقة أن الصخور هشة على السطح وأكثر ليونة في العمق تعني أنه يجب أن يكون هناك مرحلة وسطية – وهي مرحلة تنتقل فيها الصخور من واحدة إلى أخرى، وقد يكون لها خصائص كليهما، وقادرة على التكسر مثل الجرانيت، والتدفق. مثل العسل. إن هذا “الانتقال من الهشاشة إلى المرونة” ليس مفهومًا جيدًا، على الرغم من أن الجيولوجيين يعتقدون أنه قد يكون حيث تكون الصخور في أقوى حالاتها داخل القشرة الأرضية.

يقول بيتش: “إن هذه الحالة الانتقالية المتمثلة في التدفق الجزئي، والتكسير الجزئي، مهمة حقًا، لأننا نعتقد أن هذا هو المكان الذي تبلغ فيه ذروة قوة الغلاف الصخري، وحيث تتنوى أكبر الزلازل”. “لكننا لا نملك التعامل الجيد مع هذا النوع من السلوك المختلط.”

يدرس هو وزملاؤه كيفية اختلاف قوة واستقرار الصخور – سواء كانت هشة، أو قابلة للسحب، أو في مكان ما بينهما – بناءً على العيوب المجهرية للصخور. إن حجم وكثافة وتوزيع العيوب مثل الشقوق المجهرية والشقوق والمسام يمكن أن يشكل مدى هشاشة الصخور أو ليونتها.

لكن قياس العيوب المجهرية في الصخور، في ظل ظروف تحاكي الضغوط والأعماق المختلفة للأرض، ليس بالمهمة السهلة. على سبيل المثال، لا توجد تقنية تصوير بصري تسمح للعلماء برؤية الصخور الداخلية لرسم خريطة لعيوبها المجهرية. لذلك تحول الفريق إلى الموجات فوق الصوتية، وفكرة أن أي موجة صوتية تنتقل عبر صخرة يجب أن ترتد وتهتز وتعكس أي شقوق وشقوق مجهرية، بطرق محددة يجب أن تكشف شيئًا عن نمط تلك العيوب.

ستولد كل هذه العيوب أيضًا أصواتًا خاصة بها عندما تتحرك تحت الضغط، وبالتالي فإن الصوت النشط عبر الصخور وكذلك الاستماع إليها يجب أن يمنحهم قدرًا كبيرًا من المعلومات. ووجدوا أن الفكرة يجب أن تعمل مع الموجات فوق الصوتية بترددات ميغاهرتز.

“ويوضح بيتش أن هذا النوع من أساليب الموجات فوق الصوتية يشبه ما يفعله علماء الزلازل في الطبيعة، ولكن بترددات أعلى بكثير. “هذا يساعدنا على فهم الفيزياء التي تحدث على المقاييس المجهرية، أثناء تشوه هذه الصخور.”

صخرة في مكان صعب

وفي تجاربهم، اختبر الفريق أسطوانات من رخام كارارا.

“إنها نفس المادة التي صنع منها تمثال مايكل أنجلو ديفيد،” يلاحظ بيتش. “إنها مادة جيدة التوصيف، ونحن نعرف بالضبط ما يجب أن تفعله.”

وضع الفريق كل أسطوانة رخامية في جهاز يشبه الرذيلة مصنوع من مكابس من الألومنيوم والزركونيوم والفولاذ، والتي يمكن أن تولد معًا ضغوطًا شديدة. لقد وضعوا الرذيلة في غرفة مضغوطة، ثم أخضعوا كل أسطوانة لضغوط مماثلة لما تتعرض له الصخور في جميع أنحاء القشرة الأرضية.

وبينما كانوا يسحقون كل صخرة ببطء، أرسل الفريق نبضات من الموجات فوق الصوتية عبر الجزء العلوي من العينة، وسجلوا النمط الصوتي الذي خرج من الجزء السفلي. عندما لم تكن أجهزة الاستشعار تنبض، كانت تستمع إلى أي انبعاثات صوتية تحدث بشكل طبيعي.

ووجدوا أنه عند الطرف الأدنى من نطاق الضغط، حيث تكون الصخور هشة، تشكل الرخام بالفعل كسورًا مفاجئة استجابةً لذلك، وكانت الموجات الصوتية تشبه طفرات كبيرة منخفضة التردد. عند أعلى الضغوط، حيث تكون الصخور أكثر ليونة، كانت الموجات الصوتية تشبه طقطقة أعلى درجة. ويعتقد الفريق أن هذه الطقطقة نتجت عن عيوب مجهرية تسمى الاضطرابات التي تنتشر بعد ذلك وتتدفق مثل الانهيار الجليدي.

يقول بيتش: “لأول مرة، سجلنا “الأصوات” التي تصدرها الصخور عندما تتشوه عبر هذا التحول من الهش إلى اللدنة، وقمنا بربط هذه الأصوات بالعيوب المجهرية الفردية التي تسببها”. “لقد وجدنا أن هذه العيوب تغير حجمها وسرعة انتشارها بشكل كبير أثناء عبورها هذا التحول. الأمر أكثر تعقيدًا مما كان يعتقده الناس.”

يمكن لتوصيفات الفريق للصخور وعيوبها عند الضغوط المختلفة أن تساعد العلماء على تقدير كيفية تصرف قشرة الأرض عند أعماق مختلفة، مثل كيفية تكسر الصخور في زلزال، أو تدفقها في ثوران بركاني.

“عندما تتكسر الصخور جزئيًا وتتدفق جزئيًا، كيف ينعكس ذلك في دورة الزلزال؟ وكيف يؤثر ذلك على حركة الصهارة عبر شبكة من الصخور؟ يقول بيتش. “هذه أسئلة واسعة النطاق يمكن معالجتها بأبحاث كهذه.”

المرجع: “ديناميكيات العيوب المجهرية أثناء التحول من الهش إلى المطيل” بقلم هوجي أوغافاري، ماتيج بيتش، توشار ميتال، أولريش موك، هيلاري تشانغ وبريان إيفانز، 9 أكتوبر 2023، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2305667120

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.