Akustische Fingerabdrücke: MIT-Forscher untersuchen den Untergrund der Erde mithilfe von Schall

von Liam O'Connor
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Geological Acoustics

Risse und Hohlräume, die Gesteine durchdringen und sich von der Erdkruste bis zum geschmolzenen Mantel erstrecken, dienen als Kanäle und Räume, die Schallwellen ausbreiten können.

Wissenschaftler am MIT haben herausgefunden, dass die akustischen Signale, die von unterhalb der Erdoberfläche ausgehen, als Indikatoren für die Stabilität geologischer Formationen dienen.

Wenn man durch die Erdkruste hinabsteigen könnte, würde man wahrscheinlich eine Symphonie aus explosiven und knisternden Geräuschen hören. Diese Geräusche entstehen durch Kanäle, Lücken und Unvollkommenheiten im Gestein, die unter Druck und Spannung wie schwingende Saiten wirken. Ein geologisches Forschungsteam des MIT hat herausgefunden, dass die Frequenz und das Tempo dieser Geräusche Einblicke in die geologischen Eigenschaften wie Tiefe und Stärke der umgebenden Gesteine geben können.

Matěj Peč, ein MIT-Geologe, bemerkt: „Je tiefer man in die Erde vordringt, desto höher wird die Tonhöhe der Resonanzgeräusche der Steine.“

Peč und sein Team konzentrieren ihre Forschung auf das Abhören dieser geologischen Geräusche, um konsistente akustische Signaturen zu identifizieren, die unter unterschiedlichen Druckbedingungen entstehen. Ihre Laborexperimente haben gezeigt, dass Marmorproben bei niedrigem Druck niederfrequente Geräusche und bei erhöhtem Druck eine Reihe höherfrequenter Knistergeräusche abgeben.

Praktische Anwendung

Laut Peč kann das Verständnis des Schallverhaltens von Gesteinen Wissenschaftlern dabei helfen, die Vielfalt der Brüche und Lücken zu beurteilen, die die Erdkruste in verschiedenen Tiefen aufweist. Mithilfe dieser Informationen können unterirdische Regionen identifiziert werden, die anfällig für Naturkatastrophen wie Erdbeben und Vulkanausbrüche sind. Die Ergebnisse, die am 9. Oktober in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, bergen auch Potenzial für die Unterstützung von Bohrungen für Geothermie.

Peč, der als Assistenzprofessor am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences des MIT tätig ist, sagt: „Wenn wir Hochtemperatur-Geothermiereserven nutzen wollen, müssen wir verstehen, wie man in Gesteine bohrt, die weder völlig spröde noch völlig duktil sind. ”

Strukturelle Transformationen

Gesteine in der Nähe der Erdoberfläche sind im Allgemeinen spröde und brechen leicht, wohingegen Gesteine in größeren Tiefen aufgrund der starken Hitze und des Drucks, denen sie ausgesetzt sind, formbarer sind. Die Erdkruste macht nur einen Bruchteil des Gesamtdurchmessers des Planeten aus und variiert erheblich in ihrer strukturellen Stabilität. Der Punkt, an dem Gesteine von spröde zu duktil übergehen, was durch Eigenschaften beider Arten gekennzeichnet ist, ist nicht genau verstanden, es wird jedoch angenommen, dass es der Punkt ist, an dem Gesteine innerhalb der Kruste ihre höchste Festigkeit erreichen.

Matěj Peč bemerkt: „Der Zustand der Gesteine, die teilweise spröde und teilweise duktil sind, ist besonders bedeutsam, da wir glauben, dass die Lithosphäre dort am stärksten ist und schwere Erdbeben entstehen.“

Fortgeschrittene Techniken und Erkenntnisse

Um den strukturellen Aufbau von Gesteinen anhand ihrer mikroskopischen Defekte zu verstehen, setzten die MIT-Forscher Ultraschalltechnologie ein. Mit diesem Ansatz können sie die Größe, Dichte und Verteilung von Unvollkommenheiten wie mikroskopischen Rissen und Hohlräumen in Gesteinen messen, was wiederum Aufschluss darüber gibt, wie spröde oder duktil ein Gestein sein kann.

Mithilfe von Ultraschallmethoden, die denen der Seismologen ähneln, jedoch bei viel höheren Frequenzen, konnten sie die Verformungen, die in Gesteinen auf mikroskopischer Ebene auftreten, besser verstehen.

In ihren Laborversuchen verwendete das Team Zylinder aus Carrara-Marmor, einem gut charakterisierten Material. Diese Zylinder wurden in ein Gerät aus Aluminium, Zirkonium und Stahlkolben eingesetzt, das extremen Druck erzeugen konnte. Die Forscher fanden heraus, dass die akustischen Emissionen von Gesteinen je nach Druckbedingungen stark schwankten, was ihnen half, die Komplexität geologischer Formationen und die damit verbundenen Risiken zu verstehen.

„Zum ersten Mal konnten wir die Geräusche aufzeichnen, die Gesteine an diesem Übergang von spröde zu duktil erzeugen, und dabei überraschende Komplexitäten in ihrem Verhalten offenbaren“, erklärt Peč.

Ihre Forschung könnte Einblicke in das geologische Verhalten der Erde in verschiedenen Tiefen liefern und sich darauf auswirken, wie sich Gesteine bei einem Erdbeben oder einem Vulkanausbruch verhalten könnten.

Referenz: „Mikroskopische Defektdynamik während eines Spröd-zu-Duktil-Übergangs“ von Hoagy O'Ghaffari, Matěj Peč, Tushar Mittal, Ulrich Mok, Hilary Chang und Brian Evans, veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences am 9. Oktober 2023 .
DOI: 10.1073/pnas.2305667120

Die finanzielle Unterstützung für diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation bereitgestellt.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur geologischen Akustik

Was ist der Schwerpunkt der im Text erwähnten MIT-Forschung?

Das Hauptaugenmerk der MIT-Forschung liegt auf der Nutzung von Schallwellen zur Untersuchung des Erduntergrunds, insbesondere auf dem Verständnis, wie akustische Muster in Gesteinen Einblicke in die geologische Stabilität und Tiefe liefern können.

Welche praktischen Anwendungen sind mit dieser Forschung verbunden?

Diese Forschung hat praktische Anwendungen bei der Bewertung von Erdbebenrisiken durch die Identifizierung instabiler geologischer Regionen unter der Erdoberfläche. Darüber hinaus kann es beim Bohren nach geothermischen Energiequellen hilfreich sein.

Wie untersuchen die Forscher die mikroskopischen Defekte in Gesteinen?

Die Forscher nutzen Ultraschalltechnologie, um die mikroskopischen Defekte in Gesteinen zu untersuchen. Mit dieser Methode können sie die Größe, Dichte und Verteilung von Unvollkommenheiten wie mikroskopischen Rissen und Hohlräumen beurteilen, die wiederum Aufschluss über die Sprödigkeit oder Duktilität des Gesteins geben.

Welche Bedeutung hat der Übergang vom spröden zum duktilen Verhalten in Gesteinen?

Der Übergang von sprödem zu duktilem Verhalten in Gesteinen ist von entscheidender Bedeutung, da angenommen wird, dass dies der Punkt ist, an dem Gesteine innerhalb der Erdkruste ihre maximale Festigkeit erreichen. Das Verständnis dieses Übergangs kann dabei helfen, das Verhalten von Erdbeben und Vulkanausbrüchen vorherzusagen.

Welche Gesteinsarten verwendeten die Forscher in ihren Experimenten?

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente Zylinder aus Carrara-Marmor. Dieses Material wurde aufgrund seiner gut charakterisierten Eigenschaften ausgewählt, die es für die Untersuchung akustischer Emissionen unter verschiedenen Druckbedingungen geeignet machen.

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