Observationer i nanoskala forenkler, hvordan videnskabsmænd beskriver jordskælvsbevægelser

Ved at bruge enkelte calcitkrystaller med varierende overfladeruhed kan ingeniører forenkle den komplekse fysik, der beskriver fejlbevægelser. I en ny undersøgelse fra University of Illinois Urbana-Champaign viser forskere, hvordan denne forenkling kan føre til bedre forudsigelse af jordskælv.

Forskere beskriver fejladfærd ved hjælp af modeller baseret på observationsstudier, der tager højde for friktionskoefficienterne for sten og mineraler. Disse "rate-and-state"-ligninger beregner forkastningsstyrken, hvilket har konsekvenser for jordskælvets styrke og frekvens. Det er imidlertid ikke praktisk at anvende disse empiriske modeller til forudsigelse af jordskælv på grund af antallet af unikke variabler, der skal tages i betragtning for hver fejl, inklusive virkningen af ​​vand.

Undersøgelsen, ledet af civil- og miljøingeniørprofessor Rosa Espinosa-Marzal, ser på forholdet mellem friktion og overfladeruheden af ​​calcit - et af de mest almindelige stendannende mineraler i jordskorpen - for at formulere en mere teoretisk tilgang til at definere hastigheden -og-statslove.

Resultaterne er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vores mål er at undersøge de nanoskala processer, der kan udløse fejlbevægelser," sagde Binxin Fu, en CEE kandidatstuderende og den første forfatter til undersøgelsen. "De processer, vi undersøger på nanoskala, er mindre komplekse end processer i makroskala. På grund af dette sigter vi mod at bruge mikroskopiske observationer til at bygge bro mellem nanoskala- og makroskalaverdenen for at beskrive fejladfærd med mindre kompleksitet."

Ruheden af ​​en mineralsk krystal afhænger primært af dens atomare struktur. Men forskerne sagde, at klipperne i kontaktzoner skrabes, opløses og udglødes, når de gnider forbi hinanden, hvilket også påvirker deres nanoskala-tekstur.

For at teste, hvordan mineralruhed i nanoskala kan påvirke fejladfærd, forberedte holdet atomisk glatte og ru calcitkrystaller i tørre og våde omgivelser for at simulere tørre sten og dem, der indeholder porevand. Atomkraftmikroskopi målte friktion ved at trække en lille, trykmonteret siliciumspids hen over forskellige krystaloverflader udsat for simulerede fejlzoneforhold:våd overflade og glat calcit; våd overflade og ru calcit; tør overflade og glat calcit; og tør overflade med ru calcit.

"Friktion kan stige eller falde med glidende hastighed afhængigt af mineraltyperne og miljøet," sagde Espinosa-Marzal. "Vi fandt ud af, at i calcit stiger friktionen typisk med glidehastigheden langs mere ru mineralske overflader - og endnu mere i nærværelse af vand. Ved at bruge data fra en sådan almindelig mineraltype og et begrænset antal kontaktscenarier reducerer vi analysens kompleksitet og give en grundlæggende forståelse af rate-og-tilstand ligningerne."

Holdet sammenlignede deres eksperimentelle resultater med undersøgelser fra naturlige omgivelser med calcitholdig sten på lavvandede skorpeniveauer.

"Vores resultater stemmer overens med en nylig undersøgelse, der viser, at vand sænker fejlstyrken sammenlignet med tørre forhold," sagde Espinosa-Marzal. "Vores resultater er også i overensstemmelse med en anden undersøgelse, der viser, at lavfrekvente jordskælv har tendens til at forekomme langs våde forkastninger, hvilket tyder på, at nedsat friktion - forårsaget af vand - kan være en mekanisme for langsomme jordskælv i nogle miljøer."

Dette fremskridt kan hjælpe seismologer med at omdefinere hastigheds- og tilstandslove for at bestemme, hvor stress opbygges i skorpen – og give fingerpeg om, hvor og hvornår fremtidige jordskælv kan forekomme.

Holdet anerkender, at der stadig er mange andre faktorer at overveje, herunder temperatur og indflydelsen af ​​andre almindelige skorpemineraler såsom kvarts og glimmer. Forskerne planlægger at inkorporere disse variabler i fremtidige modeller. + Udforsk yderligere

Undersøgelse giver en ny skala af jordskælvsforståelse