Bagaimana ahli geologi MIT memetakan lapisan tersembunyi bumi

Retakan dan pori-pori yang menembus batuan, mulai dari kerak bumi hingga mantel cair, bagaikan saluran dan rongga tempat suara dapat beresonansi.

Ilmuwan MIT telah menemukan bahwa suara di bawah kaki kita merupakan sidik jari yang membuktikan kestabilan batuan.

Jika Anda bisa menyelam menembus kerak bumi, Anda mungkin, dengan telinga yang disetel dengan cermat, akan mendengar ledakan dan retakan di sepanjang perjalanan. Retakan, pori-pori, dan patahan yang menembus batuan ibarat string yang beresonansi saat ditekan dan ditekan. Dan sebagai tim dengan Ahli geologi telah menemukan bahwa ritme dan kecepatan suara-suara ini dapat memberi tahu Anda tentang kedalaman dan kekuatan batuan di sekitar Anda.

“Jika Anda mendengarkan bebatuan, mereka akan bernyanyi di lapisan yang semakin tinggi, semakin dalam Anda menyelam,” kata Matej Pietsch, ahli geosains di Massachusetts Institute of Technology.

Beach dan rekan-rekannya mendengarkan bebatuan untuk melihat apakah ada pola suara atau “sidik jari” yang muncul saat terkena tekanan berbeda. Dalam penelitian di laboratorium, mereka kini menunjukkan bahwa sampel marmer, ketika diberi tekanan rendah, akan mengeluarkan bunyi “letupan” bernada rendah, sedangkan pada tekanan yang lebih tinggi, batuan akan menghasilkan “longsoran” bunyi letupan bernada tinggi.

Aplikasi praktis

Beach mengatakan pola akustik pada batuan ini dapat membantu para ilmuwan memperkirakan jenis retakan, retakan, dan patahan lain jauh di dalam kerak bumi, yang kemudian dapat mereka gunakan untuk mengidentifikasi area tidak stabil di bawah permukaan, yang kemungkinan besar akan terjadi gempa bumi atau letusan gunung berapi. . Hasil tim, dipublikasikan 9 Oktober pukul Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasionaljuga dapat membantu menginformasikan upaya surveyor dalam mengeksplorasi energi panas bumi terbarukan.

“Jika kita ingin memanfaatkan sumber panas bumi yang sangat panas, kita harus belajar cara mengebor batuan dengan mode campuran ini, yang tidak terlalu rapuh, namun juga mengalir sedikit,” kata Beach, yang saat ini bekerja di bidang energi panas bumi. . Asisten Profesor di Departemen Ilmu Bumi, Atmosfer, dan Planet di MIT (EAPS). “Tetapi secara umum, ini adalah ilmu dasar yang dapat membantu kita memahami di mana litosfer paling kuat.”

Kolaborator Peč di MIT adalah penulis utama dan ilmuwan riset Hoji O. Ghafari, asisten teknis Ulrich Mock, mahasiswa pascasarjana Hilary Zhang, dan Profesor Emeritus Geofisika Brian Evans. Tushar Mittal, rekan penulis dan mantan peneliti pascadoktoral EAPS, sekarang menjadi asisten profesor di Pennsylvania State University.

Fraksi dan aliran

Kerak bumi sering disamakan dengan kerak apel. Pada ketebalan terbesarnya, kedalaman kerak bumi bisa mencapai 70 kilometer (45 mil), hanya sebagian kecil dari total diameter bumi yang mencapai 12.700 kilometer (7.900 mil). Namun, batuan yang membentuk kerak tipis planet ini sangat bervariasi dalam kekuatan dan stabilitasnya. Ahli geologi menyimpulkan bahwa batuan di dekat permukaan bersifat rapuh dan mudah pecah, dibandingkan dengan batuan di kedalaman yang lebih dalam, dimana tekanan dan panas yang sangat besar dari inti dapat membuat batuan tersebut mengalir.

Fakta bahwa batuan rapuh di permukaan dan lebih lunak di kedalaman berarti bahwa harus ada tahap perantara – suatu tahap di mana batuan bertransisi dari satu batuan ke batuan lainnya, dan mungkin memiliki sifat keduanya, mampu retak seperti granit, dan mengalir. Seperti madu. “Peralihan dari kerapuhan ke elastisitas” ini belum dipahami dengan baik, meskipun para ahli geologi percaya bahwa ini mungkin merupakan saat dimana batuan berada pada titik terkuatnya di dalam kerak bumi.

“Keadaan transisi aliran parsial, rekahan parsial, sangat penting, karena menurut kami di situlah kekuatan litosfer mencapai puncaknya, dan tempat terjadinya gempa bumi terbesar,” kata Beach. “Tapi kami tidak bisa menangani perilaku campur aduk semacam ini dengan baik.”

Dia dan rekan-rekannya sedang mempelajari bagaimana kekuatan dan stabilitas batuan—baik rapuh, ulet, atau keduanya—bervariasi berdasarkan cacat mikroskopis batuan tersebut. Ukuran, kepadatan, dan distribusi cacat seperti retakan mikroskopis, retakan, dan pori-pori dapat menentukan seberapa rapuh atau ulet suatu batuan.

Namun mengukur cacat mikroskopis pada batuan, dalam kondisi yang meniru tekanan dan kedalaman berbeda di Bumi, bukanlah tugas yang mudah. Misalnya, tidak ada teknologi pencitraan optik yang memungkinkan para ilmuwan melihat ke dalam batuan untuk memetakan cacat mikroskopisnya. Jadi tim beralih ke USG, gagasan bahwa setiap gelombang suara yang merambat melalui batu harus memantul kembali, bergetar dan memantulkan retakan dan celah mikroskopis, dengan cara tertentu yang akan mengungkapkan sesuatu tentang pola patahan tersebut.

Semua patahan ini juga akan menghasilkan bunyinya sendiri ketika bergerak di bawah tekanan, jadi dengan aktif membunyikan batuan serta mendengarkannya akan memberikan banyak informasi. Mereka menemukan bahwa ide tersebut harus bekerja dengan USG pada frekuensi megahertz.

“Beach menjelaskan bahwa metode USG jenis ini mirip dengan yang dilakukan seismolog di alam, tetapi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi. “Ini membantu kita memahami fisika yang terjadi pada skala mikroskopis ketika batuan ini berubah bentuk.”

Sebuah batu di tempat yang sulit

Dalam eksperimennya, tim menguji silinder marmer Carrara.

“Bahannya sama dengan bahan pembuatan David karya Michelangelo,” kata Beach. “Ini adalah bahan yang berkarakteristik baik, dan kami tahu persis apa yang harus dilakukan.”

Tim menempatkan setiap silinder marmer dalam alat yang terbuat dari aluminium, zirkonium, dan piston baja, yang bersama-sama dapat menghasilkan tekanan ekstrem. Mereka menempatkan alat tersebut di dalam ruang bertekanan, kemudian memberikan setiap silinder tekanan yang serupa dengan yang dialami oleh batuan di seluruh kerak bumi.

Saat mereka menghancurkan setiap batu secara perlahan, tim mengirimkan gelombang ultrasonik ke bagian atas sampel, merekam pola suara yang muncul dari bawah. Ketika sensor tidak berdenyut, mereka mendengarkan emisi akustik yang terjadi secara alami.

Mereka menemukan bahwa di ujung bawah kisaran tekanan, di mana batuan rapuh, marmer justru membentuk retakan mendadak sebagai responsnya, dan gelombang suara menyerupai lonjakan besar berfrekuensi rendah. Pada tekanan tertinggi, dimana batuan lebih lunak, gelombang suara menyerupai kresek yang lebih keras. Tim meyakini retakan ini disebabkan oleh patahan mikroskopis yang disebut turbulensi yang kemudian menyebar dan mengalir seperti longsoran salju.

“Untuk pertama kalinya, kami telah merekam ‘suara’ yang dihasilkan batuan ketika berubah bentuk melalui transisi dari rapuh ke ulet, dan kami telah menghubungkan suara-suara ini dengan kerusakan mikroskopis yang ditimbulkannya,” kata Beach. “Kami menemukan bahwa cacat ini mengubah ukuran dan kecepatan penyebarannya secara dramatis seiring dengan transisi ini. Ini lebih rumit dari perkiraan orang.”

Karakterisasi batuan dan patahan yang dilakukan tim pada tekanan yang berbeda dapat membantu para ilmuwan memperkirakan bagaimana perilaku kerak bumi pada kedalaman yang berbeda, seperti bagaimana batuan retak akibat gempa bumi, atau aliran saat letusan gunung berapi.

“Ketika sebagian batuan pecah dan sebagian lagi mengalir, bagaimana hal tersebut tercermin dalam siklus gempa? Dan bagaimana hal tersebut mempengaruhi pergerakan magma melalui jaringan batuan? Ini adalah pertanyaan luas yang dapat dijawab dengan penelitian seperti ini,” kata Beach.

Referensi: “Dinamika cacat mikrostruktur selama transisi getas ke ulet” oleh Hoji Ogavari, Matej Piech, Tushar Mittal, Ulrich Mock, Hilary Zhang dan Brian Evans, 9 Oktober 2023, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
doi: 10.1073/pnas.2305667120

Penelitian ini sebagian didukung oleh National Science Foundation.