As fissuras e poros da rocha, desde a crosta terrestre até ao manto líquido, são como canais e cavidades através dos quais o som pode ressoar. Cientistas do MIT descobriram que o som sob nossos pés tem uma impressão digital bastante estável. Se você pudesse afundar na crosta terrestre, apenas ouvisse com atenção e ouviria rugidos e estalos ao longo do caminho. Rachaduras, poros e falhas em toda a rocha são como cordas que ressoam quando apertadas e tensionadas.
Uma equipe de geólogos do MIT descobriu que o ritmo e a velocidade desses sons podem indicar a profundidade e a força das rochas circundantes.
"Se você está ouvindo as rochas, elas cantam em um tom cada vez mais alto, e quanto mais fundo você vai, mais alto se torna o seu tom", disse o geólogo do MIT, Matěj Peč.
Page e os seus colegas estão a ouvir as rochas para ver se padrões acústicos, ou "impressões digitais", aparecem sob diferentes pressões. Em estudos de laboratório, eles descobriram que as amostras de mármore emitiam um "rugido" grave sob baixa pressão, enquanto sob alta pressão a rocha emitia um som agudo de "avalanche".
Esses padrões acústicos nas rochas podem ajudar os cientistas a estimar os tipos de rachaduras, fissuras e outros defeitos que aparecem na crosta terrestre à medida que a profundidade aumenta, disse Ezoic Peč. Eles podem então usar esses padrões acústicos para identificar áreas instáveis abaixo da superfície onde é provável que ocorram terremotos ou erupções vulcânicas. Os resultados da pesquisa da equipe, publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences em 9 de outubro, também ajudarão a fornecer informações para os topógrafos que perfuram energia geotérmica renovável.
Page é professor assistente no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. No geral, diz ele, esta é uma ciência básica que pode nos ajudar a compreender onde a litosfera é mais forte.
Os colaboradores de Page no MIT incluem o autor principal e cientista pesquisador Hoagy O. Ghaffari, o assistente técnico Ulrich Mok, a estudante de pós-graduação Hilary Chang e o professor emérito de geofísica Brian Evans. O coautor Tushar Mittal, ex-pós-doutorado da EAPS, é agora professor assistente na Universidade Estadual da Pensilvânia.
Fratura e fluxo
As pessoas costumam comparar a crosta com a casca de uma maçã. Na sua parte mais espessa, a crosta terrestre tem 70 quilómetros (45 milhas) de profundidade - apenas uma fracção do diâmetro total da Terra, de 12.700 quilómetros (7.900 milhas). No entanto, as rochas que constituem a fina crosta terrestre variam muito em resistência e estabilidade. Os geólogos teorizam que as rochas próximas à superfície são frágeis e quebram facilmente, ao contrário das rochas mais profundas, onde a pressão intensa e o calor do núcleo da Terra podem fazer com que as rochas fluam.
As rochas são frágeis na superfície e mais dúcteis em profundidade, o que significa que deve haver um estágio intermediário em que a rocha transita de uma para outra, podendo ter as duas propriedades ao mesmo tempo, quebrando-se como o granito e fluindo como o mel. Esta “transição frágil para dúctil” não é bem compreendida, mas os geólogos acreditam que pode ser o local mais forte da crosta terrestre.
“Este estado de transição de parte fluxo e parte fratura é importante porque pensamos que é aqui que está o pico da força litosférica e onde ocorrem os maiores terremotos”, disse Page. "Mas ainda não temos um bom controle sobre esse comportamento de modo misto."
Ele e seus colegas estão estudando como a força e a estabilidade de uma rocha – seja ela frágil, dúctil ou algo intermediário – mudam com base nas imperfeições microscópicas da rocha. O tamanho, a densidade e a distribuição de defeitos como rachaduras microscópicas, fissuras e poros podem determinar a fragilidade ou tenacidade de uma rocha.
Mas medir defeitos microscópicos em rochas sob condições que simulam diversas pressões e profundidades na Terra não é tarefa fácil. Por exemplo, atualmente não existe tecnologia de imagem visual que permita aos cientistas ver o interior das rochas e mapear os seus defeitos microscópicos. Então a equipe recorreu ao ultrassom, argumentando que quaisquer ondas sonoras que viajam através da rocha irão saltar, vibrar e refletir em quaisquer pequenas rachaduras e fendas, revelando a morfologia dessas falhas de maneiras específicas.
Todas estas imperfeições também produzem os seus próprios sons à medida que são forçados a mover-se, pelo que tanto a detecção activa das rochas como a audição dos sons das rochas podem fornecer-lhes uma riqueza de informações. Eles descobriram que essa ideia deveria ser possível em ondas ultrassônicas em frequências megahertz.
“Este método ultrassônico é semelhante ao que os sismólogos fazem na natureza, mas em frequências muito mais altas. Isso nos ajuda a entender a física que ocorre em escala microscópica durante a deformação dessas rochas”, explica Page.
“O mármore de Carrara é o mesmo material do David de Michelangelo. É um material com propriedades muito específicas e sabemos exatamente o que deve fazer”, observou Page.
A equipe colocou cada cilindro de mármore em um dispositivo semelhante a um torno feito de alumínio, zircônio e pistões de aço, materiais que se combinam para criar tensões extremas. Eles colocaram o alicate em uma câmara pressurizada e depois submeteram cada cilindro a pressões semelhantes às experimentadas pelas rochas em toda a crosta terrestre.
Enquanto esmagava lentamente cada rocha, a equipe enviou pulsos ultrassônicos pela parte superior da amostra e registrou os padrões de ondas sonoras que saíam da parte inferior. Quando os sensores não estão pulsando, eles estão atentos a quaisquer emissões acústicas que ocorram naturalmente.
Eles descobriram que na extremidade inferior da faixa de pressão, onde a rocha é quebradiça, o mármore quebra repentinamente, com ondas sonoras semelhantes a um enorme rugido de baixa frequência. Nas pressões mais altas, onde a rocha é mais maleável, as ondas sonoras se assemelham a um som crepitante e agudo. A equipe acredita que o som crepitante é produzido por pequenos defeitos chamados luxações, que então se espalham e fluem como uma avalanche.
"Pela primeira vez, documentamos o 'ruído' que as rochas fazem quando se deformam durante sua transição de frágil para dúctil e vinculamos esses ruídos aos defeitos microscópicos individuais que causam o ruído", disse Page. "Descobrimos que esses defeitos mudam drasticamente em tamanho e velocidade de propagação à medida que atravessam essa transição. É mais complicado do que as pessoas pensavam."
A caracterização das rochas pela equipe e suas falhas sob diferentes pressões pode ajudar os cientistas a estimar como a crosta terrestre se comporta em diferentes profundidades, como a forma como as rochas podem quebrar durante um terremoto ou fluir durante uma erupção.
"Quando partes da rocha se quebram e outras fluem, como isso retroalimenta o ciclo sísmico? Como isso afeta o fluxo de magma através da rede rochosa?" Página disse. "Estas são questões de maior escala que poderiam ser abordadas através de estudos semelhantes."