Forskere får indsigt i et fysisk fænomen, der fører til jordskælv

Forskere er blevet bedre til at forudsige, hvor jordskælv vil forekomme, men de er stadig i mørket om, hvornår de vil slå til, og hvor ødelæggende de bliver.

I jagten på spor, der hjælper dem med bedre at forstå jordskælv, forskere ved University of Pennsylvania studerer et fænomen kaldet aldring. Ved aldring, jo længere tid materialer er i kontakt med hinanden, jo mere kraft er nødvendig for at flytte dem. Denne modstand kaldes statisk friktion. Jo længere noget, såsom en fejl, sidder stille, jo mere statisk friktion bygger op, og jo stærkere bliver fejlen.

Selv når fejlen forbliver stille, tektonisk bevægelse forekommer stadig; der opbygges spænding i fejlen, når pladerne skifter, indtil de endelig skifter så meget, at de overskrider den statiske friktionskraft og begynder at glide. Fordi fejlen blev stærkere med tiden, stress kan bygge op til store niveauer, og en enorm mængde energi frigives derefter i form af et kraftigt skælv.

"Denne ældningsmekanisme er afgørende for den ustabile opførsel af fejl, der fører til jordskælv, "sagde Robert Carpick, John Henry Towne -professor og formand for Institut for Maskinteknik og Anvendt Mekanik i Penn's School of Engineering and Applied Science. "Hvis du ikke havde aldring, så ville fejlen bevæge sig meget let, og så du ville få meget mindre jordskælv, der sker hyppigere, eller måske endda bare glat bevægelse. Aldring fører til forekomst af sjældne, store jordskælv, der kan være ødelæggende. "

Forskere har studeret bevægelsen af ​​fejl og ældning i geologiske materialer i makroskalaen i årtier, producere fænomenologiske teorier og modeller for at beskrive deres eksperimentelle resultater. Men der er et problem, når det kommer til disse modeller.

"Modellerne er ikke grundlæggende, ikke fysisk baseret, hvilket betyder, at vi ikke kan udlede disse modeller fra grundlæggende fysik, "sagde Kaiwen Tian, en kandidatstuderende på Penn's School of Arts &Sciences.

Men et Penn-baseret projekt søger at forstå friktion af sten fra et mere fysisk synspunkt på nanoskalaen.

I deres seneste papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne verificerede den første grundlæggende teori til at beskrive aldring og forklare, hvad der sker, når belastningen øges.

Undersøgelsen blev ledet af Tian og Carpick. David Goldsby, en lektor i Institut for Jord- og Miljøvidenskab i Penn; Izabela Szlufarska, professor i materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin-Madison; UW alumnus Yun Liu; og Nitya Gosvami, nu adjunkt i Institut for Anvendt Mekanik ved IIT Delhi, også bidraget til undersøgelsen.

Tidligere arbejde fra gruppen fandt ud af, at statisk friktion er logaritmisk med tiden. Det betyder, at hvis materialer er i kontakt 10 gange længere, så fordobles friktionskraften for at flytte dem. Mens forskere havde set denne opførsel af sten og geologiske materialer i makroskopisk skala, disse forskere observerede det på nanoskalaen.

I denne nye undersøgelse, forskerne varierede mængden af ​​normal kraft på materialerne for at finde ud af, hvordan belastning påvirker aldringsadfærden.

"Det er et meget vigtigt spørgsmål, fordi belastning kan have to effekter, "Sagde Tian." Hvis du øger belastningen, du øger kontaktområdet. Det kan også påvirke det lokale pres. "

For at studere dette, forskerne brugte et atomkraftmikroskop til at undersøge bindingsstyrke, hvor to overflader mødes. De brugte siliciumoxid, fordi det er en primær komponent i mange stenmaterialer. Brug af den lille nanoskala -spids på AFM sikrer, at grænsefladen består af et enkelt kontaktpunkt, gør det lettere at estimere spændinger og kontaktområde.

De bragte en nanoskala spids fremstillet af siliciumoxid i kontakt med en siliciumoxidprøve og holdt den der. Efter nok tid gik, de gled spidsen og målte den kraft, der kræves for at starte glidning. Carpick sagde, at dette er analogt med at lægge en blok på gulvet, lad det sidde et stykke tid, og derefter skubbe den og måle, hvor meget kraft det tager for blokken at begynde at bevæge sig.

De observerede, hvad der skete, da de skubbede hårdere i normal retning, øge belastningen. De fandt ud af, at de fordoblede den normale kraft, og så blev den krævede friktionskraft også fordoblet.

For at forklare det krævede man at se meget nøje på mekanismen, der førte til denne stigning i friktionskraft.

"Nøglen, "Carpick sagde, "er vi viste i vores resultater, hvordan friktionskraftens afhængighed af holdetiden og friktionskraftens afhængighed af lastmaskinen. Dette var i overensstemmelse med en model, der antager, at friktionskraften stiger, fordi vi får kemiske bindinger, der dannes ved grænsefladen, så antallet af disse obligationer stiger med tiden. Og, når vi presser hårdere, hvad vi gør er at øge kontaktområdet mellem spidsen og prøven, forårsager friktion med normal kraft. "

Forud for denne undersøgelse, det var blevet foreslået, at skubbe hårdere også kunne få disse bindinger til at danne lettere.

Forskerne fandt ud af, at dette ikke var tilfældet:til en god tilnærmelse, forøgelse af den normale kraft øger simpelthen mængden af ​​kontakt og antallet af steder, hvor atomer kan reagere.

I øjeblikket, gruppen ser på, hvad der sker, når spidsen sidder på prøven i meget kort tid. Tidligere havde de set på ventetider fra en tiendedel af et sekund til så meget som 100 sekunder. Men nu ser de på tidsskalaer, der er endnu kortere end en tiendedel af et sekund.

Ved at se på meget korte tidsskalaer, de kan få indsigt i detaljerne i energien i de kemiske bindinger for at se, om nogle bindinger let kan dannes, og om andre tager længere tid at danne. At studere obligationer, der let dannes, er vigtigt, fordi det er de første bindinger, der dannes og kan give indsigt i, hvad der sker i starten af ​​kontakten.

Ud over at give en bedre forståelse af jordskælv, dette arbejde kan føre til mere effektive nano-enheder. Fordi mange mikro- og nano-enheder er fremstillet af silicium, forståelse af friktion er nøglen til at få disse enheder til at fungere mere gnidningsløst.

Men, mest vigtige, forskerne håber, at et eller andet sted nede på linjen, en bedre forståelse af ældning vil gøre dem i stand til at forudsige, hvornår der kommer jordskælv.

"Steder for jordskælv kan forudsiges temmelig godt, "Carpick sagde, "men når et jordskælv kommer til at ske, er det meget svært at forudsige, og det skyldes i høj grad, at der mangler fysisk forståelse af friktionsmekanismerne bag jordskælvene. Vi har lang vej til at forbinde dette arbejde med jordskælv. Imidlertid, dette arbejde giver os mere grundlæggende indsigt i mekanismen bag denne ældning og, På lang sigt, vi tror, ​​at den slags indsigt kan hjælpe os med at forudsige jordskælv og andre friktionsfænomener bedre. "