Firme Soniche: Come i Geologi del MIT Mappano i Strati Nascosti della Terra
La musica delle rocce: come i suoni rivelano la stabilità del sottosuolo
Immagina di poter ascoltare il suono delle rocce che compongono la crosta terrestre. Le crepe, i pori e i difetti che attraversano queste rocce sono come corde che risuonano quando vengono sottoposte a pressione e stress. Un gruppo di geologi del MIT ha scoperto che il ritmo e il tono di questi suoni possono rivelare informazioni sulla profondità e la resistenza delle rocce circostanti.
• La musica delle rocce: come i suoni rivelano la stabilità del sottosuolo
• La crosta terrestre: una pelle fragile
• La transizione da fragile a duttile
• Un sasso in un luogo difficile
“Se ascoltassi le rocce, sentiresti che cantano a toni sempre più alti, man mano che scendi più in profondità”, afferma il geologo del MIT Matěj Peč. Peč e i suoi colleghi stanno ascoltando le rocce per vedere se emergono dei modelli acustici, o “impronte digitali”, quando vengono sottoposte a varie pressioni. Nei loro studi in laboratorio, hanno dimostrato che campioni di marmo, sottoposti a basse pressioni, emettono “boati” a bassa frequenza, mentre a pressioni più elevate, le rocce generano una sorta di ‘valanga’ di crepitii ad alta frequenza.
Secondo Peč, questi modelli acustici nelle rocce possono aiutare gli scienziati a stimare i tipi di crepe, fessure e altri difetti che la crosta terrestre sperimenta con la profondità. Queste informazioni possono poi essere utilizzate per identificare regioni instabili sotto la superficie, dove c’è il potenziale per terremoti o eruzioni. I risultati del team, pubblicati il 9 ottobre sulle Proceedings of the National Academy of Sciences, potrebbero anche aiutare gli sforzi dei topografi per perforare alla ricerca di energia geotermica rinnovabile.
La crosta terrestre: una pelle fragile
La crosta terrestre è spesso paragonata alla pelle di una mela. Al suo punto più spesso, la crosta può essere profonda 70 chilometri, una frazione infinitesimale del diametro totale del globo, che è di 12.700 chilometri. Eppure, le rocce che compongono la sottile buccia del pianeta variano notevolmente nella loro resistenza e stabilità. I geologi ritengono che le rocce vicino alla superficie siano fragili e si fratturino facilmente, rispetto alle rocce a maggiori profondità, dove le immense pressioni e il calore proveniente dal nucleo possono far fluire le rocce.
La transizione da fragile a duttile
Il fatto che le rocce siano fragili in superficie e più duttili in profondità implica che ci deve essere un punto intermedio, una fase in cui le rocce passano da uno stato all’altro, e possono avere proprietà di entrambi, in grado di fratturarsi come il granito e fluire come il miele. Questa “transizione da fragile a duttile” non è ben compresa, anche se i geologi ritengono che possa essere il punto in cui le rocce sono al loro massimo di resistenza all’interno della crosta.
Un sasso in un luogo difficile
Esperimenti in laboratorio
Nel loro esperimento, il team ha testato cilindri di marmo di Carrara. “È lo stesso materiale da cui è fatto il David di Michelangelo”, nota Peč. “È un materiale molto ben caratterizzato, e sappiamo esattamente cosa dovrebbe fare”. Il team ha posizionato ogni cilindro di marmo in un dispositivo simile a un morsetto fatto di pistoni di alluminio, zirconio e acciaio, che insieme possono generare stress estremi. Hanno posto il morsetto in una camera pressurizzata, e poi hanno sottoposto ogni cilindro a pressioni simili a quelle che le rocce sperimentano in tutta la crosta terrestre.
Risultati degli esperimenti
Mentre schiacciavano lentamente ogni roccia, il team inviava impulsi di ultrasuoni attraverso la parte superiore del campione, e registrava il modello acustico che usciva dal fondo. Quando i sensori non inviavano impulsi, stavano ascoltando le emissioni acustiche naturali. Hanno scoperto che all’estremità inferiore dell’intervallo di pressione, dove le rocce sono fragili, il marmo formava effettivamente fratture improvvise in risposta, e le onde sonore assomigliavano a grandi boati a bassa frequenza. Alle pressioni più alte, dove le rocce sono più duttili, le onde acustiche assomigliavano a un crepitio ad alta frequenza. Il team ritiene che questo crepitio sia stato prodotto da difetti microscopici chiamati dislocazioni che poi si diffondono e fluiscono come una valanga.
“Per la prima volta, abbiamo registrato i ‘rumori’ che le rocce fanno quando vengono deformate attraverso questa transizione da fragile a duttile, e collegiamo questi rumori ai singoli difetti microscopici che li causano”, afferma Peč. “Abbiamo scoperto che questi difetti cambiano massicciamente la loro dimensione e velocità di propagazione mentre attraversano questa transizione. È più complicato di quanto si pensasse”.
Le caratterizzazioni del team delle rocce e dei loro difetti a varie pressioni possono aiutare gli scienziati a stimare come si comporterà la crosta terrestre a varie profondità, come ad esempio come le rocce potrebbero fratturarsi in un terremoto, o fluire in un’eruzione.
“Quando le rocce stanno parzialmente fratturando e parzialmente fluendo, come si riflette nel ciclo dei terremoti? E come influisce sul movimento del magma attraverso una rete di rocce?” chiede Peč. “Queste sono domande di grande scala che possono essere affrontate con ricerche come questa”.