Наблюдения в наномасштабе упрощают описание движения при землетрясениях

Использование отдельных кристаллов кальцита с различной шероховатостью поверхности позволяет инженерам упростить сложную физику, описывающую движение разломов. В новом исследовании Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне ученые показывают, как это упрощение может привести к лучшему прогнозированию землетрясений.

Поведение разлома описывается моделями, основанными на наблюдательных исследованиях, которые учитывают коэффициенты трения горных пород и минералов. Эти уравнения «скорости и состояния» рассчитывают прочность разлома, что имеет значение для силы и частоты землетрясений. Однако применение этих эмпирических моделей для прогнозирования непрактично из-за множества уникальных переменных для каждого разлома, включая влияние воды.

Исследование под руководством профессора гражданской и экологической инженерии Розы Эспиноса-Марсаль изучает взаимосвязь между трением и шероховатостью поверхности кальцита — одного из самых распространенных породообразующих минералов в земной коре — для формулировки более теоретического подхода к определению законов скорости и состояния. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Наша цель — изучить процессы в наномасштабе, которые могут спровоцировать движение разлома», — сказал Биньсин Фу, аспирант и первый автор исследования. «Процессы, которые мы исследуем в наномасштабе, менее сложны, чем в макромасштабе. Поэтому мы стремимся использовать микроскопические наблюдения, чтобы преодолеть разрыв между наномиром и макромиром и описать поведение разлома с меньшей сложностью».

Шероховатость кристалла минерала в первую очередь зависит от его атомной структуры. Однако, по словам исследователей, породы в контактных зонах истираются, растворяются и отжигаются при трении друг о друга, что также влияет на их нанотекстуру.

Для проверки влияния наношероховатости минерала на поведение разлома команда подготовила атомарно гладкие и шероховатые кристаллы кальцита в сухой и влажной средах, чтобы смоделировать сухие породы и породы с поровой водой. Атомно-силовая микроскопия измеряла трение, протаскивая крошечный кремниевый наконечник под давлением по разным поверхностям кристаллов в смоделированных условиях зоны разлома.

«Трение может увеличиваться или уменьшаться со скоростью скольжения в зависимости от типа минерала и среды», — сказала Эспиноса-Марсаль. «Мы обнаружили, что в кальците трение обычно увеличивается со скоростью скольжения вдоль более шероховатых поверхностей минерала — и даже больше в присутствии воды. Используя данные по такому распространенному минералу и ограниченному числу контактных сценариев, мы снижаем сложность анализа и даем фундаментальное понимание уравнений скорости и состояния».

Команда сопоставила свои экспериментальные результаты с исследованиями природных условий с породами, содержащими кальцит, на мелких уровнях земной коры.

«Наши результаты согласуются с недавним исследованием, показывающим, что вода снижает прочность разлома по сравнению с сухими условиями», — отметила Эспиноса-Марсаль. «Наши выводы также согласуются с другим исследованием, показывающим, что низкочастотные землетрясения, как правило, происходят вдоль влажных разломов, что предполагает, что снижение трения из-за воды может быть механизмом медленных землетрясений в некоторых средах».

Этот прогресс может помочь сейсмологам переопределить законы скорости и состояния, чтобы определить, где в коре накапливается напряжение, и дать подсказки о том, где и когда могут произойти будущие землетрясения. Команда признает, что необходимо учитывать множество других факторов, включая температуру и влияние других распространенных минералов коры, таких как кварц и слюда. Исследователи планируют включить эти переменные в будущие модели.