Từ lớp vỏ Trái đất đến lớp phủ lỏng, các vết nứt và lỗ rỗng trên khắp đá giống như các kênh và lỗ hổng mà qua đó âm thanh có thể cộng hưởng. Các nhà khoa học MIT đã phát hiện ra rằng âm thanh dưới chân chúng ta có dấu vết khá ổn định. Nếu bạn có thể chìm xuống lớp vỏ trái đất, chỉ cần lắng nghe cẩn thận và bạn sẽ nghe thấy những tiếng gầm và tiếng nổ trên đường đi. Các vết nứt, lỗ rỗng và khuyết tật trên khắp tảng đá giống như những sợi dây tạo ra tiếng vang khi bị nén và căng.
Một nhóm các nhà địa chất tại MIT đã phát hiện ra rằng nhịp điệu và nhịp độ của những âm thanh này có thể cho bạn biết độ sâu và cường độ của các tảng đá xung quanh.
“Nếu bạn nghe đá, chúng hát ở những âm vực ngày càng cao hơn, và bạn Càng đi sâu, âm vực của chúng càng cao."
Page và các đồng nghiệp của anh ấy đang lắng nghe những tảng đá để xem liệu các mẫu âm thanh hay "dấu vân tay" có xuất hiện dưới các áp suất khác nhau hay không. Trong các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, họ phát hiện ra rằng các mẫu đá cẩm thạch phát ra âm thanh "gầm" trầm dưới áp suất thấp, trong khi dưới áp suất cao, đá phát ra âm thanh "tuyết lở" the thé.
Ezoic Peč cho biết các mẫu âm thanh này trong đá có thể giúp các nhà khoa học ước tính các loại vết nứt, vết nứt và các khuyết tật khác xuất hiện trong lớp vỏ Trái đất khi độ sâu tăng lên. Sau đó, họ có thể sử dụng các mẫu âm thanh này để xác định các khu vực không ổn định bên dưới bề mặt có khả năng xảy ra động đất hoặc phun trào núi lửa. Kết quả nghiên cứu của nhóm được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia ngày 9/10 cũng sẽ giúp cung cấp thông tin cho các nhà khảo sát đang khoan tìm năng lượng địa nhiệt tái tạo.
Page là trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh (EAPS) của MIT. Ông nói, nhìn chung đây là khoa học cơ bản có thể giúp chúng ta hiểu thạch quyển mạnh nhất ở đâu.
Các cộng tác viên của Page tại MIT bao gồm tác giả chính và nhà khoa học nghiên cứu Hoagy O. Ghaffari, trợ lý kỹ thuật Ulrich Mok, nghiên cứu sinh Hilary Chang và giáo sư danh dự về địa vật lý Brian Evans. Đồng tác giả Tushar Mittal, cựu tiến sĩ EAPS, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học bang Pennsylvania.
Đứt gãy và dòng chảy
Người ta thường so sánh vỏ trái đất với vỏ quả táo. Ở độ dày nhất, lớp vỏ Trái đất sâu 70 km (45 dặm) - chỉ bằng một phần nhỏ trong tổng đường kính của Trái đất là 12.700 km (7.900 dặm). Tuy nhiên, những loại đá tạo nên lớp vỏ mỏng của Trái đất có độ bền và độ ổn định rất khác nhau. Các nhà địa chất đưa ra giả thuyết rằng đá gần bề mặt giòn và dễ vỡ, trái ngược với đá ở sâu hơn, nơi áp suất và nhiệt độ cao từ lõi Trái đất có thể khiến đá chảy ra.
Đá giòn ở bề mặt và dẻo hơn ở độ sâu, nghĩa là phải có một giai đoạn trung gian trong đó đá chuyển từ loại này sang loại khác, có thể có cả hai đặc tính cùng lúc, vỡ ra như đá granit và chảy như mật ong. "Sự chuyển đổi từ giòn sang dẻo" này chưa được hiểu rõ, nhưng các nhà địa chất tin rằng đây có thể là nơi mạnh nhất trong lớp vỏ Trái đất.
Page cho biết: "Trạng thái chuyển tiếp của dòng chảy một phần, sự đứt gãy một phần này rất quan trọng bởi vì chúng tôi cho rằng đỉnh cao sức mạnh của thạch quyển là ở đây, và nó cũng là tâm điểm của những trận động đất lớn nhất. Nhưng chúng tôi chưa hiểu mô hình lai này. Chúng tôi chưa nắm bắt rõ ràng".
Ông và các đồng nghiệp đang nghiên cứu độ bền và độ ổn định của đá—dù là giòn, dẻo hay ở mức nào đó ở giữa—thay đổi dựa trên những khiếm khuyết vi mô của đá. Kích thước, mật độ và sự phân bố của các khuyết tật như vết nứt cực nhỏ, vết nứt và lỗ chân lông có thể xác định độ giòn hoặc độ dẻo dai của đá.
Nhưng việc đo các khuyết tật cực nhỏ trong đá trong các điều kiện mô phỏng các áp suất và độ sâu khác nhau trên Trái đất không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Ví dụ, hiện tại không có công nghệ hình ảnh trực quan nào cho phép các nhà khoa học nhìn thấy bên trong đá và lập bản đồ các khiếm khuyết cực nhỏ của chúng. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng siêu âm, lập luận rằng bất kỳ sóng âm nào truyền qua đá sẽ nảy lên, rung động và phản xạ trong bất kỳ vết nứt và kẽ hở nhỏ nào, tiết lộ hình thái của những sai sót đó theo những cách cụ thể.
Tất cả những điểm không hoàn hảo này cũng tạo ra âm thanh riêng khi chúng buộc phải di chuyển, vì vậy, cả việc chủ động phát hiện đá và lắng nghe âm thanh của đá đều cung cấp cho chúng rất nhiều thông tin. Họ phát hiện ra rằng ý tưởng này có thể thực hiện được ở sóng siêu âm ở tần số megahertz.
Trang giải thích: "Phương pháp siêu âm này tương tự như những gì các nhà địa chấn học làm trong tự nhiên, nhưng ở tần số cao hơn nhiều. Điều này giúp chúng tôi hiểu được các hiện tượng vật lý xảy ra ở quy mô vi mô trong quá trình biến dạng của những loại đá này."
Page đã chỉ ra: "Đá cẩm thạch Carrara là chất liệu tương tự như David của Michelangelo. Nó là một vật liệu có những đặc tính rất cụ thể và chúng tôi biết chính xác nó nên làm gì." TA GPH10
Nhóm nghiên cứu đã đặt mỗi trụ đá cẩm thạch vào một thiết bị giống như cái kẹp làm bằng nhôm, zirconium và piston thép, những vật liệu kết hợp với nhau để tạo ra ứng suất cực lớn. Họ đặt những chiếc kìm vào một buồng điều áp và sau đó cho mỗi ống trụ chịu áp suất tương tự như áp suất mà đá trải qua trên khắp lớp vỏ Trái đất.
Khi họ từ từ nghiền nát từng tảng đá, nhóm đã gửi các xung siêu âm qua phần trên của mẫu và ghi lại các dạng sóng âm thanh phát ra từ phía dưới. Khi các cảm biến không hoạt động, chúng sẽ lắng nghe mọi phát xạ âm thanh tự nhiên.
Họ phát hiện ra rằng ở mức áp suất thấp nhất, nơi đá giòn, đá cẩm thạch đột ngột vỡ ra, với các sóng âm thanh giống như một tiếng gầm lớn có tần số thấp. Ở áp suất cao nhất nơi đá dễ uốn hơn, sóng âm giống như âm thanh tanh tách có âm vực cao hơn. Nhóm nghiên cứu tin rằng âm thanh tanh tách được tạo ra bởi những khiếm khuyết nhỏ gọi là sự lệch vị trí, sau đó chúng lan rộng và chảy như một trận tuyết lở.
Page cho biết: "Lần đầu tiên, chúng tôi đã ghi lại 'tiếng ồn' mà đá tạo ra khi chúng biến dạng trong quá trình chuyển đổi giòn sang dẻo và liên kết những tiếng ồn này với các khuyết tật vi mô riêng lẻ gây ra tiếng ồn. Chúng tôi nhận thấy rằng những khuyết tật này thay đổi về kích thước và tốc độ lan truyền khi chúng vượt qua quá trình chuyển đổi này."
Đặc điểm của nhóm về đá và những sai sót của chúng dưới những áp suất khác nhau có thể giúp các nhà khoa học ước tính cách thức hoạt động của lớp vỏ ở các độ sâu khác nhau, chẳng hạn như cách đá có thể vỡ khi động đất hoặc chảy trong quá trình phun trào.
"Khi các phần của đá vỡ ra và các phần chảy ra, chúng quay trở lại chu kỳ địa chấn như thế nào? Điều đó ảnh hưởng như thế nào đến dòng magma xuyên qua mạng lưới đá?" Trang nói. "Đây là những câu hỏi quy mô lớn hơn có thể được giải quyết thông qua các nghiên cứu tương tự."