Undersøgelse giver en ny forståelse af jordskælv

Nanoskala viden om forholdet mellem vand, friktion og mineralsk kemi kan føre til en bedre forståelse af jordskælvs dynamik, sagde forskere i en ny undersøgelse. Ingeniører ved University of Illinois i Urbana-Champaign brugte mikroskopiske friktionsmålinger for at bekræfte, at under de rette betingelser, nogle sten kan opløses og kan forårsage fejl at glide.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , undersøger nøje, hvordan vand og calcit - et mineral, der er meget almindeligt i jordskorpen - interagerer ved forskellige tryk og grundvandssammensætninger for at påvirke friktionskræfter langs fejl.

"Vand er overalt i disse systemer, "sagde Rosa Espinosa-Marzal, en civilingeniør og miljøteknisk professor og medforfatter af undersøgelsen. "Der er vand på overfladen af ​​mineraler og i porerne mellem mineralkorn i klipper. Dette gælder især med calcitholdige sten på grund af vandets affinitet til mineralet."

Ifølge forskerne, andre undersøgelser har korreleret tilstedeværelsen af ​​vand med fejlbevægelser og jordskælv, men den nøjagtige mekanisme forblev undvigende. Denne observation er især udbredt i områder, hvor fracking -operationer finder sted - en proces, der involverer meget vand.

Undersøgelsen fokuserer på calcitrige sten i nærvær af saltlage-naturligt forekommende salt grundvand-langs fejloverflader. De stenoverflader, der glider forbi hinanden langs fejl, er ikke glatte. Forskerne zoomede ind på de naturligt forekommende små ufuldkommenheder eller ujævnheder på stenoverflader, kaldet asperities, hvor friktion og slid stammer, når de to overflader glider forbi hinanden.

"De kemiske og fysiske egenskaber ved ødelagte sten og mekaniske forhold i disse systemer er variable og komplekse, gør det svært at tage højde for alle detaljer, når man forsøger at besvare denne type spørgsmål, "Espinosa-Marzal sagde." Så, at hjælpe med at forstå vandets rolle i fejldynamik, vi kiggede på en nedskaleret, forenklet model ved at undersøge enkelte asperiteter på individuelle calcitkrystaller. "

Til forsøgene, holdet nedsænkede calcitkrystaller i saltopløsninger i forskellige koncentrationer og udsatte dem for forskellige tryk for at simulere en naturlig fejlindstilling. Når krystallerne var i ligevægt med opløsningen, de brugte et atomkraftmikroskop til at trække en lillebitte arm med en siliciumspids - for at simulere asperiteten - hen over krystallen for at måle ændringer i friktion.

I de fleste forsøg, forskerne fandt først, hvad de forventede:Da trykket på krystallerne steg, det blev vanskeligere at trække spidsen hen over krystalets overflade. Imidlertid, når de øgede trykket til et bestemt punkt, og spidsen blev flyttet langsomt nok, spidsen begyndte lettere at glide hen over krystallen.

"Dette fortæller os, at der er sket noget med denne lille asperity under højere pres, der forårsagede et fald i friktion, "sagde kandidatstuderende og medforfatter Yijue Diao." Atomkraftmikroskopet giver os også mulighed for at forestille krystaloverfladen, og vi kan se, at rillen steg i størrelse, bekræfter, at calcit var opløst under tryk. Det opløste mineral og vand fungerede som et godt smøremiddel, derved forårsager den observerede svækkelse af den enkelt-asperiske kontakt. "

"Dette viser, at undersøgelser som disse berettiger seriøs overvejelse i fremtidigt arbejde, "Sagde Espinosa-Marzal. Forskerne erkender, at der stadig er mange spørgsmål at tage fat på i forbindelse med denne forskning. Men deres arbejde viser, at visse saltlage-calcit-interaktioner, under påført stress, fremkalde opløsning og reducere friktionsstyrken ved single-asperity skalaen.

"Vores forskning tyder også på, at det kan være muligt at afbøde jordskælvsrisiko ved bevidst at ændre saltlagesammensætninger i områder, der indeholder kalkstenrige klipper. Denne overvejelse kan være gavnlig i områder, hvor fracking finder sted, men dette koncept kræver meget mere omhyggelig undersøgelse, "Sagde Espinosa-Marzal.

"Som en ung videnskabsmand, der arbejder på nanoskalaen, Jeg troede aldrig, at jordskælvsdynamik ville være den type ting, jeg ville undersøge, "Sagde Diao." Dog, Vi har lært så meget om tingene i makroskalaen, at nanoskalaundersøgelser som vores kan afsløre ny kritisk indsigt i mange store naturfænomener. "