Empreintes acoustiques : des chercheurs du MIT étudient le sous-sol terrestre grâce au son

par Liam O'Connor
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Geological Acoustics

Les fissures et les vides qui imprègnent les roches, s'étendant de la croûte terrestre jusqu'à son manteau en fusion, servent de conduits et d'espaces pouvant propager les ondes sonores.

Des scientifiques du MIT ont découvert que les signaux auditifs émanant du sous-sol de la Terre servent d'indicateurs de la stabilité des formations géologiques.

Si l’on pouvait descendre à travers la croûte terrestre, une symphonie de sons explosifs et crépitants se ferait probablement entendre. Ces bruits résultent des canaux, des interstices et des imperfections des roches qui agissent comme des cordes résonnantes lorsqu'elles sont soumises à une pression et une tension. Une équipe de recherche géologique du MIT a découvert que la fréquence et le tempo de ces sons peuvent donner un aperçu des qualités géologiques, telles que la profondeur et la résistance, des roches environnantes.

Matěj Peč, géologue au MIT, note : « À mesure que vous plongez plus profondément dans la Terre, les sons de résonance des roches augmentent progressivement en hauteur. »

Peč et son équipe concentrent leurs recherches sur l'écoute de ces sons géologiques afin d'identifier toute signature acoustique cohérente qui apparaît dans diverses conditions de pression. Leurs expériences en laboratoire ont démontré que les échantillons de marbre émettent des bruits basse fréquence à basse pression et une série de crépitements à haute fréquence lorsqu'ils sont soumis à des pressions élevées.

Utilisation pratique

Selon Peč, comprendre le comportement sonore des roches peut aider les scientifiques à évaluer les variétés de fractures et de lacunes que subit la croûte terrestre à différentes profondeurs. Ces informations peuvent être utilisées pour identifier les régions souterraines sujettes aux catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre et les éruptions volcaniques. Les résultats, publiés dans les Actes de l'Académie nationale des sciences le 9 octobre, pourraient également faciliter le forage de l'énergie géothermique.

Peč, qui est professeur adjoint au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes du MIT, déclare : « Si nous visons à exploiter les réserves géothermiques à haute température, nous devons comprendre comment forer dans des roches qui ne sont ni entièrement fragiles ni entièrement ductiles. »

Transformations structurelles

Les roches proches de la surface de la Terre sont généralement fragiles et se fracturent facilement, tandis que les roches situées à de plus grandes profondeurs sont plus malléables en raison de la chaleur et de la pression intenses auxquelles elles sont exposées. La croûte terrestre ne représente qu’une fraction du diamètre total de la planète et sa stabilité structurelle varie considérablement. Le point auquel les roches passent de fragile à ductile, caractérisé par des attributs des deux types, n'est pas bien compris, mais on pense que c'est le point où les roches atteignent leur résistance maximale dans la croûte.

Matěj Peč note : « L'état des roches, partiellement fragiles et partiellement ductiles, est particulièrement significatif car c'est là que nous pensons que la lithosphère est la plus forte et que les tremblements de terre majeurs se produisent. »

Techniques avancées et résultats

Afin de comprendre la composition structurelle des roches en fonction de leurs défauts microscopiques, les chercheurs du MIT ont déployé la technologie des ultrasons. Cette approche leur permet d'évaluer la taille, la densité et la répartition des imperfections telles que les fissures microscopiques et les vides dans les roches, ce qui indique à quel point une roche peut être fragile ou ductile.

En utilisant des méthodes ultrasonores similaires à celles employées par les sismologues, mais à des fréquences beaucoup plus élevées, ils ont pu mieux comprendre les déformations qui se produisent dans les roches à l’échelle microscopique.

Lors de leurs essais en laboratoire, l'équipe a utilisé des cylindres de marbre de Carrare, un matériau bien caractérisé. Ces cylindres étaient placés dans un dispositif composé de pistons en aluminium, zirconium et acier capables de générer une pression extrême. Les chercheurs ont découvert que les émissions acoustiques des roches variaient considérablement en fonction des conditions de pression, ce qui les aidait à comprendre la complexité des formations géologiques et les risques associés.

"Pour la première fois, nous avons pu enregistrer les sons émis par les roches lors de cette transition fragile-ductile, révélant des complexités surprenantes dans leur comportement", déclare Peč.

Leurs recherches pourraient offrir un aperçu du comportement géologique de la Terre à différentes profondeurs, et avoir un impact sur le comportement des roches lors d'un tremblement de terre ou d'une éruption volcanique.

Référence : « Dynamique des défauts microscopiques lors d'une transition fragile-à-ductile » par Hoagy O'Ghaffari, Matěj Peč, Tushar Mittal, Ulrich Mok, Hilary Chang et Brian Evans, publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences le 9 octobre 2023. .
DOI : 10.1073/pnas.2305667120

Le soutien financier de cette recherche a été partiellement fourni par la National Science Foundation.

Foire aux questions (FAQ) sur l’acoustique géologique

Quel est l’objectif principal des recherches du MIT mentionnées dans le texte ?

L'objectif principal des recherches du MIT est d'utiliser les ondes sonores pour étudier le sous-sol de la Terre, en particulier pour comprendre comment les modèles acoustiques des roches peuvent fournir des informations sur la stabilité et la profondeur géologiques.

Quelles applications pratiques sont associées à cette recherche ?

Cette recherche a des applications pratiques dans l'évaluation des risques sismiques en identifiant les régions géologiques instables sous la surface de la Terre. De plus, il peut faciliter le forage de sources d’énergie géothermique.

Comment les chercheurs étudient-ils les défauts microscopiques des roches ?

Les chercheurs utilisent la technologie des ultrasons pour étudier les défauts microscopiques des roches. Cette méthode leur permet d'évaluer la taille, la densité et la répartition des imperfections, telles que les fissures et les vides microscopiques, qui, à leur tour, informent sur la fragilité ou la ductilité de la roche.

Quelle est l’importance de la transition du comportement fragile au comportement ductile dans les roches ?

La transition du comportement fragile au comportement ductile des roches est cruciale car on pense que c'est le point où les roches atteignent leur résistance maximale dans la croûte terrestre. Comprendre cette transition peut aider à prédire le comportement des tremblements de terre et des éruptions volcaniques.

Quel type de roches les chercheurs ont-ils utilisé dans leurs expériences ?

Les chercheurs ont utilisé des cylindres de marbre de Carrare dans leurs expériences. Ce matériau a été choisi en raison de ses propriétés bien caractérisées, ce qui le rend adapté à l'étude des émissions acoustiques dans diverses conditions de pression.

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