Los científicos escuchan y "entienden" los sonidos emitidos por la corteza terrestre

El ritmo, intensidad y periodicidad de estos sonidos pueden ser detectados, analizados y servir para averiguar sobre la profundidad y la fuerza de las rocas que lo rodean.

"Si estuvieras escuchando las rocas, cantarían en tonos cada vez más altos a medida que profundizas", dice el geólogo del MIT Matej Pec.

Escuchando a las rocas profundas

Pec y sus colegas escuchan rocas para ver si al someterlas a diferentes presiones surgen patrones acústicos o "huellas dactilares". En estudios de laboratorio, ahora han demostrado que las muestras de mármol, cuando se someten a bajas presiones, emiten "estruendos" de tono bajo, mientras que a presiones más altas, las rocas generan una "avalancha" de crepitaciones de tono más alto.

Pec dice que estos patrones acústicos en las rocas pueden ayudar a los científicos a estimar los tipos de grietas, fisuras y otros defectos que la corteza terrestre experimenta con la profundidad, que luego pueden usar para identificar regiones inestables debajo de la superficie, donde existe potencial para terremotos o erupciones. Los resultados del equipo, publicados en los Proceedings of the National Academy of Sciences, también podrían ayudar a informar los esfuerzos de los topógrafos para perforar en busca de energía geotérmica renovable.

"Si queremos aprovechar estas fuentes geotérmicas muy calientes, tendremos que aprender a perforar rocas que se encuentren en esta condición de modo mixto, donde no sean puramente frágiles, sino que también fluyan un poco", dice Pec, quien es profesor asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT.

Los ruidos de la corteza terrestre

La corteza terrestre a menudo se compara con la piel de una manzana. En su punto más grueso, la corteza puede tener 70 kilómetros de profundidad, una pequeña fracción del diámetro total del globo, de 12.700 kilómetros. Y, sin embargo, las rocas que forman la delgada corteza del planeta varían mucho en su resistencia y estabilidad. Los geólogos infieren que las rocas cercanas a la superficie son frágiles y se fracturan fácilmente, en comparación con las rocas a mayores profundidades, donde inmensas presiones y el calor del núcleo pueden hacer que las rocas fluyan.

El hecho de que las rocas sean frágiles en la superficie y más dúctiles en la profundidad implica que debe haber un punto intermedio: una fase en la que las rocas pasan de una a otra y pueden tener propiedades de ambas, capaces de fracturarse como el granito y fluir como la miel. Esta "transición de frágil a dúctil no se comprende bien, aunque los geólogos creen que puede ser el lugar donde las rocas son más fuertes dentro de la corteza.

"Este estado de transición, en parte fluido y en parte fracturado, es realmente importante, porque es allí donde creemos que se encuentra el pico de fuerza de la litosfera y donde se originan los terremotos más grandes", dice Pec. "Pero no tenemos un buen manejo de este tipo de comportamiento de modo mixto".

Él y sus colegas están estudiando cómo varía la resistencia y la estabilidad de las rocas, ya sean frágiles, dúctiles o intermedias, en función de los defectos microscópicos de una roca. El tamaño, la densidad y la distribución de defectos como grietas, fisuras y poros microscópicos pueden determinar cuán frágil o dúctil puede ser una roca.

Pero medir los defectos microscópicos de las rocas, en condiciones que simulan las diversas presiones y profundidades de la Tierra, no es una tarea trivial. Por ejemplo, no existe ninguna técnica de imágenes visuales que permita a los científicos ver el interior de las rocas para mapear sus imperfecciones microscópicas. Entonces, el equipo recurrió al ultrasonido y a la idea de que cualquier onda sonora que viaje a través de una roca debería rebotar, vibrar y reflejarse en cualquier grieta y hendidura microscópicas, de maneras específicas que deberían revelar algo sobre el patrón de esos defectos.

Todos estos defectos también generarán sus propios sonidos cuando se muevan bajo estrés y por lo tanto tanto sonar activamente a través de la roca como escucharla debería brindarles una gran cantidad de información. Descubrieron que la idea debería funcionar con ondas de ultrasonido, en frecuencias de megahercios.

"Este tipo de método de ultrasonido es análogo a lo que hacen los sismólogos en la naturaleza, pero con frecuencias mucho más altas", explica Pec. "Esto nos ayuda a comprender la física que ocurre a escalas microscópicas durante la deformación de estas rocas".

Mármol de Carrara bajo presión y sonidos

En sus experimentos, el equipo probó cilindros de mármol de Carrara.

"Es el mismo material del que está hecho el David de Miguel Ángel", señala Pec. "Es un material muy bien caracterizado y sabemos exactamente qué debería hacer".

El equipo colocó cada cilindro de mármol en un aparato parecido a un tornillo de banco hecho de pistones de aluminio, circonio y acero, que juntos pueden generar tensiones extremas. Colocaron el tornillo de banco en una cámara presurizada y luego sometieron cada cilindro a presiones similares a las que experimentan las rocas en toda la corteza terrestre.

Mientras aplastaban lentamente cada roca, el equipo envió pulsos de ultrasonido a través de la parte superior de la muestra y registró el patrón acústico que salía por la parte inferior. Cuando los sensores no pulsaban, escuchaban cualquier emisión acústica natural.

Descubrieron que en el extremo inferior del rango de presión, donde las rocas son frágiles, el mármol formaba fracturas repentinas en respuesta, y las ondas sonoras parecían grandes explosiones de baja frecuencia. A las presiones más altas, donde las rocas son más dúctiles, las ondas acústicas parecían un crujido más agudo. El equipo cree que este crujido fue producido por defectos microscópicos llamados dislocaciones que luego se propagan y fluyen como una avalancha.

"Por primera vez, hemos registrado los 'ruidos' que hacen las rocas cuando se deforman a través de esta transición frágil a dúctil, y vinculamos estos ruidos con los defectos microscópicos individuales que los causan", dice Pec. "Descubrimos que estos defectos cambian enormemente su tamaño y velocidad de propagación a medida que cruzan esta transición. Es más complicado de lo que la gente pensaba".

Las caracterizaciones de las rocas y sus defectos a diversas presiones realizadas por el equipo pueden ayudar a los científicos a estimar cómo se comportará la corteza terrestre a distintas profundidades, por ejemplo, cómo las rocas podrían fracturarse en un terremoto o fluir en una erupción.

"Cuando las rocas se fracturan en parte y en parte fluyen, ¿cómo se retroalimenta eso al ciclo del terremoto? ¿Y cómo afecta eso al movimiento del magma a través de una red de rocas?" dice Pec. "Esas son preguntas de mayor escala que pueden abordarse con investigaciones como ésta".

Referencia

Microscopic defect dynamics during a brittle-to-ductile transition. Hoagy O’Ghaffari, Matěj Peč, Tushar Mittal, and Brian Evans, 2023. Proceedings of the National Academy of Sciences . https://doi.org/10.1073/pnas.2305667120