Исследователи демонстрируют эффект трения землетрясений в наномасштабе

Исследователи из Пенсильванского университета и Университета Брауна экспериментально доказали, что ключевой механизм увеличения трения в геологических разломах со временем связан не с ростом площади контакта, а с усилением химических связей в точках соприкосновения. Работа, опубликованная в журнале Nature, проводилась с использованием атомно-силового микроскопа для изучения единичного наноконтакта.

Это открытие важно для фундаментального понимания физики землетрясений. Сопротивление скольжению горных пород в разломе накапливается, пока они находятся в контакте, а затем энергия высвобождается катастрофически в виде подземного толчка. Определение механизма этого «фрикционного старения» — рост площади или прочности связей — десятилетиями оставалось гипотезой, которую теперь удалось проверить на наноуровне.

«Одна гипотеза предполагала, что точки контакта со временем деформируются и растут — то есть увеличивается количество контакта. Другая — что связи в точках контакта со временем усиливаются — то есть повышается качество контакта», — пояснил руководитель исследования Роберт Карпик. Эксперименты с кремнеземом (основной компонент горных пород), алмазом и графитом показали резкую разницу: сильное старение наблюдалось только для контакта кремнезема с кремнеземом, способным к химическому взаимодействию, что подтверждает «качественную» теорию.

Ученые также объяснили, как сильный наноэффект согласуется с более слабым макроскопическим трением в реальных разломах. Из-за «упругой связи» между множественными точками контакта лишь небольшая их часть сопротивляется скольжению с максимальной силой в каждый момент времени. «Вам нужен очень большой эффект на уровне единичного контакта, чтобы получить даже очень скромный эффект в макроскопическом масштабе», — отметил Карпик. Это понимание позволит с большей уверенностью экстраполировать фундаментальную физику на моделирование землетрясений.