科学家发现我们脚下的声音是岩石稳定性的指纹，如果你能沉入地壳，仔细聆听，你可能会听到一路上传来的隆隆声和噼啪声。贯穿岩石的裂隙、孔隙和缺陷就像弦一样，在受压时会产生共鸣。麻省理工学院地质学家团队发现，这些声音的节奏和节奏可以告诉你周围岩石的深度和强度。

地球剖面图以说明主要层。图片来源：维基共享资源，CC BY-SA

　　麻省理工学院的地质学家马特伊·佩奇(Matěj Peč)说：“如果你听岩石的声音，你走得越深，它们的歌声就会越来越高。”

　　佩奇和他的同事正在聆听岩石的声音，看看在受到各种压力时是否会出现任何声音模式或“指纹”。在实验室研究中，他们现在已经表明，大理石样品在受到低压时会发出低音“轰隆声”，而在高压下，岩石会产生高频裂纹的“雪崩”。

　　佩奇说，岩石中的这些声波模式可以帮助科学家估计地壳在深度上所经历的裂缝、裂隙和其他缺陷的类型，然后他们可以用它们来识别地表以下可能发生地震或火山喷发的不稳定区域。该团队的研究结果今天发表在《美国国家科学院院刊》上，也可以帮助测量人员钻探可再生地热能。

　　“如果我们想要利用这些非常热的地热源，我们就必须学习如何钻入处于这种混合模式条件下的岩石，这些岩石不是纯粹脆性的，而且还有一点流动性，”佩奇说。麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的助理教授。“但总的来说，这是基础科学，可以帮助我们了解岩石圈最强的地方。”

　　佩奇在麻省理工学院的合作者包括主要作者兼研究科学家 Hoagy O. Ghaffari、技术助理 Ulrich Mok、研究生 Hilary Chang 和地球物理学名誉教授 Brian Evans。图沙尔·米塔尔 (Tushar Mittal) 是该研究的合著者、前 EAPS 博士后，现为宾夕法尼亚州立大学助理教授。

　　断裂与流动

　　地壳经常被比作苹果皮。地壳最厚处可达 70 公里深，仅占地球总直径 12,700 公里的一小部分。然而，构成地球薄层的岩石的强度和稳定性差异很大。地质学家推断，与较深处的岩石相比，靠近地表的岩石易碎且容易断裂，在较深处的岩石中，巨大的压力和来自核心的热​​量可以使岩石流动。

　　岩石在表面是脆性的，而在深处更具有延展性，这一事实意味着必须有一个中间阶段，即岩石从一种过渡到另一种的阶段，并且可能具有两者的特性，能够像花岗岩一样破裂，并且能够流动像蜂蜜一样。这种“脆性到韧性的转变”尚不清楚，尽管地质学家认为这可能是地壳内岩石最坚固的地方。

　　佩奇说：“这种部分流动、部分破裂的过渡状态非常重要，因为我们认为这就是岩石圈强度的峰值所在，也是最大地震发生的地方。”“但我们无法很好地处理这种类型的混合模式行为。”

　　他和他的同事正在研究岩石的强度和稳定性(无论是脆性、延性还是介于两者之间)如何根据岩石的微观缺陷而变化。微观裂纹、裂缝和孔隙等缺陷的大小、密度和分布可以决定岩石的脆性或延展性。

　　但是，在模拟地球各种压力和深度的条件下测量岩石中的微观缺陷并非易事。例如，没有任何视觉成像技术可以让科学家看到岩石内部以绘制其微观缺陷。因此，研究小组转向超声波，其想法是，任何穿过岩石的声波都会反弹、振动，并反射任何微小的裂缝和缝隙，以特定的方式揭示这些缺陷的模式。

　　所有这些缺陷在压力下移动时也会产生自己的声音，因此通过岩石主动发声以及聆听应该会给它们提供大量信息。他们发现这个想法应该适用于兆赫频率的超声波。

　　“这种超声波方法类似于地震学家在自然界中所做的事情，但频率要高得多，”佩奇解释道。“这有助于我们了解这些岩石变形过程中微观尺度上发生的物理现象。”

　　坚硬地方的一块石头

　　在实验中，研究小组测试了卡拉拉大理石圆柱体。

　　“这与制作米开朗基罗的大卫的材料相同，”佩奇指出。“这是一种特性非常好的材料，我们确切地知道它应该做什么。”

　　研究小组将每个大理石圆柱体放置在一个由铝、锆和钢活塞制成的虎钳状装置中，这些活塞一起可以产生极大的应力。他们将虎钳放入加压室中，然后使每个圆柱体承受类似于整个地壳岩石所经历的压力。

　　当他们慢慢压碎每块岩石时，研究小组通过样本顶部发送超声波脉冲，并记录从底部发出的声波模式。当传感器没有脉冲时，它们会监听任何自然发生的声发射。

　　他们发现，在压力范围的低端，即岩石易碎的地方，大理石确实会形成突然的裂缝作为响应，并且声波类似于大型低频隆隆声。在最高压力下，岩石的延展性更强，声波类似于更高音调的爆裂声。研究小组认为，这种裂纹是由称为位错的微观缺陷产生的，然后像雪崩一样扩散和流动。

　　佩奇说：“我们第一次记录了岩石在从脆性到延性的转变过程中变形时发出的‘噪音’，并将这些噪音与导致这些噪音的单个微观缺陷联系起来。”“我们发现这些缺陷在跨越这个转变时会极大地改变它们的大小和传播速度。这比人们想象的要复杂。”

　　该团队对不同压力下岩石及其缺陷的表征可以帮助科学家估计地壳在不同深度的表现，例如岩石在地震中如何破裂，或在喷发中如何流动。

　　“当岩石部分破裂、部分流动时，这如何反馈到地震周期中?这又如何影响岩浆通过岩石网络的运动?”佩奇说。“这些都是更大规模的问题，可以通过这样的研究来解决。”

　　更多信息：Hoagy O'Ghaffari 等人，脆性到延性转变期间的微观缺陷动力学，美国国家科学院院刊(2023)。