Modeller af smeltende sten forudsiger mekaniske ophav til jordskælv

Ingeniører ved Duke University har udtænkt en model, der kan forudsige den tidlige mekaniske adfærd og oprindelsen af ​​et jordskælv i flere typer sten. Modellen giver ny indsigt i uobserverbare fænomener, der finder sted milevidt under jordens overflade under utrolige tryk og temperaturer, og kunne hjælpe forskere med bedre at forudsige jordskælv – eller endda, i det mindste teoretisk, forsøge at stoppe dem.

Resultaterne vises online den 17. januar i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Jordskælv opstår langs brudlinjer dybt under jorden, hvor ekstreme forhold kan forårsage kemiske reaktioner og faseovergange, der påvirker friktionen mellem sten, når de bevæger sig mod hinanden, " sagde Hadrien Rattez, en forsker i civil- og miljøteknik hos Duke. "Vores model er den første, der nøjagtigt kan gengive, hvordan mængden af ​​friktion falder, efterhånden som hastigheden af ​​stenglidningen øges, og alle disse mekaniske fænomener udløses."

I tre årtier, forskere har bygget maskiner til at simulere forholdene for en fejl ved at skubbe og vride to stenskiver mod hinanden. Disse eksperimenter kan nå tryk på op til 1450 pund per kvadrattomme og hastigheder på en meter per sekund, hvilket er den hurtigste underjordiske sten kan rejse. For et geologisk referencepunkt, Stillehavets tektoniske plade bevæger sig med omkring 0,00000000073 meter i sekundet.

"Med hensyn til jordbevægelse, disse hastigheder på en meter i sekundet er utrolig hurtige, " sagde Manolis Veveakis, adjunkt i civil- og miljøteknik ved Duke. "Og husk, at friktion er synonymt med modstand. Så hvis modstanden falder til nul, objektet vil bevæge sig brat. Dette er et jordskælv."

I disse forsøg, overfladen af ​​klipperne begynder enten at blive til en slags gel eller at smelte, sænke friktionskoefficienten mellem dem og gøre deres bevægelse lettere. Det er velkendt, at når hastigheden af ​​disse sten i forhold til hinanden stiger til en meter i sekundet, friktionen mellem dem falder som en sten, du kan sige, uanset typen. Men indtil nu, ingen havde skabt en model, der nøjagtigt kunne gengive denne adfærd.

I avisen, Rattez og Veveakis beskriver en beregningsmodel, der tager højde for energibalancen i alle de komplicerede mekaniske processer, der finder sted under fejlbevægelse. De inkorporerer svækkelsesmekanismer forårsaget af varme, der er fælles for alle typer sten, såsom mineralnedbrydning, nanopartikelsmøring og smeltning, når bjergarten gennemgår en faseændring.

Efter at have kørt alle deres simuleringer, forskerne fandt ud af, at deres nye model nøjagtigt forudsiger faldet i friktion forbundet med hele rækken af ​​fejlhastigheder fra eksperimenter på alle tilgængelige stentyper, inklusive halit, silikat og kvarts.

Fordi modellen fungerer godt til så mange forskellige typer sten, det ser ud til at være en generel model, der kan anvendes i de fleste situationer, som kan afsløre nye oplysninger om oprindelsen af ​​jordskælv. Selvom forskere ikke fuldt ud kan genskabe betingelserne for en fejl, modeller som denne kan hjælpe dem med at ekstrapolere til højere tryk og temperaturer for at få en bedre forståelse af, hvad der sker, når en fejl opstår mod et jordskælv.

"Modellen kan give fysisk mening til observationer, som vi normalt ikke kan forstå, " sagde Rattez. "Det giver en masse information om de involverede fysiske mekanismer, som den energi, der kræves til forskellige faseovergange."

"Vi kan stadig ikke forudsige jordskælv, men sådanne undersøgelser er nødvendige skridt, vi skal tage for at nå dertil, " sagde Veveakis. "Og i teorien, hvis vi kunne forstyrre en fejl, vi kunne spore dens sammensætning og gribe ind, før den bliver ustabil. Det er det, vi gør med jordskred. Men, selvfølgelig, brudlinjer er 20 miles under jorden, og vi har i øjeblikket ikke borekapaciteten til at gå derhen."