Геолог-структуролог Мишель Кук называет это «вопросом на миллион долларов», который лежит в основе всей работы в ее лаборатории в Массачусетском университете в Амхерсте: что происходит в глубине Земли, когда в земной коре образуются сдвиговые разломы? Это тип разлома, который возникает, когда две тектонические плиты скользят друг мимо друга, создавая волны энергии, которые мы иногда ощущаем как землетрясения.
Геологи не уверены в факторах, определяющих рост новых разломов, говорит Кук. В последние годы она и ее коллеги предложили первые систематические исследования эволюции таких разломов. В своей новой статье она и ее команда студентов предоставляют экспериментальные результаты, иллюстрирующие процесс, с видео и рассказывают о том, как они воспроизводят такие события в мокрой глине в лаборатории. Подробности опубликованы в текущем онлайн-издании Journal of Structural Geology.
Кук говорит: «Когда я выступаю с другими геологами, я показываю изображение разлома и спрашиваю, не хотели бы вы точно увидеть, как он образовался? Что ж, в моей лаборатории это то, что мы Мы создаем условия для возникновения ошибок в небольшом масштабе и наблюдаем за их развитием. Люди делали это раньше, но мы разработали методы, позволяющие нам видеть, как ошибки растут в очень, очень мелких деталях, с более высоким разрешением, чем кто-либо. задокументировано ранее."
Исследователи Университета Массачусетса в Амхерсте применяют подход механической эффективности к пониманию развития разломов. В нем говорится, что разломы в земной коре реорганизуются в соответствии с принципами «оптимизации работы» или тем, что Кук называет гипотезой «ленивой Земли». Основное внимание уделяется эффективности систем разломов при преобразовании входной энергии в движение вдоль разломов. Подобно молнии, ударяющей в ближайший объект, при образовании разлома Земля выбирает самый легкий путь.
Для этой работы, поддерживаемой Национальным научным фондом, исследователи загружают лоток каолином, также известным как фарфоровая глина, приготовленным таким образом, чтобы его вязкость и длина соответствовали вязкости и длине земной коры. Во всех экспериментах две плиты влажной глины движутся в противоположных направлениях при одном из трех основных граничных условий, то есть при разных способах «нагрузки» разлома. Один сценарий начинается с ранее существовавшего разлома, другой - с локального смещения под глиной, а третий характеризуется смещением по более широкой зоне сдвига под глиной.
Данные двухчасовых экспериментов фиксируют локализацию деформации и эволюцию разломов, которые представляют собой миллионы лет в масштабе десятков километров во время созревания сдвиговых разломов. Кук говорит: «В наших экспериментах мы зафиксировали очень разные условия образования разломов, которые представляют собой диапазон условий, которые могут вызвать разломы в земной коре».
Она добавляет: «Мы обнаружили, что ошибки развиваются, чтобы увеличить кинематическую эффективность в различных условиях, и мы узнали некоторые удивительные вещи по пути. Одна из них заключается в том, что ошибки отключаются по пути. Мы подозревали это, но наш эксперимент является первым, в котором это подробно задокументировано. Еще один особенно удивительный вывод заключается в том, что неравномерность разломов, которые неэффективны, сохраняются, а не система образует прямой, эффективный разлом».
Авторы, в число которых входят аспиранты Алекс Хатем и Кевин Тёнебоен, выделяют четыре стадии эволюции разломов: предварительный разлом, локализация, сцепление и проскальзывание. Процесс начинается просто, продвигается к пику сложности, после чего сложность резко падает и разлом снова упрощается, удлиняясь в «сквозную» или сплошную одиночную поверхностную трещину.
В видеороликах Хатема отчетливо видно, что деформация сдвига деформирует земную кору вдоль области, где встречаются две опорные плиты. На следующем этапе развиваются многочисленные эшелонированные разломы. Это ступенчатые трещины, параллельные друг другу, которые растягиваются по длине по мере увеличения напряжения, пока они внезапно не соединятся. На последнем этапе они объединяются, образуя окончательную одиночную ошибку. Кук говорит: «Мы были очень рады видеть, что части разломов закрываются по мере реорганизации системы, а также что неровности вдоль разломов сохраняются».
Интересное открытие, но не удивительно, что по большей части все неисправности прошли через аналогичный процесс. Кук говорит: «Мы проверили различные крайности, но пришли к общему типу эволюции, справедливому для всех. Если разлома еще нет, то вы видите эшелонированные разломы, небольшие разломы, параллельные друг другу, но под углом к сдвиг Вероятно, наиболее познавательной частью являются детали эволюции разломов в этих крайних точках. В конце остается длинный разлом с заброшенными участками по обеим сторонам, что мы постоянно наблюдаем в полевых условиях. Это хорошее подтверждение того, что наши лабораторные эксперименты воспроизводят то, что происходит внутри Земли».
Другое понимание, говорят исследователи, является результатом измерения кинематической или геометрической эффективности, процента приложенного смещения, выраженного как проскальзывание по разломам. «Неэффективный разлом будет иметь меньшее скольжение и большую деформацию вокруг зон», - объясняет Кук. «Мы можем видеть, как это происходит в экспериментах, и это подтверждает идею о том, что неисправности эволюционируют, чтобы стать эффективными, а Земля оптимизирует работу. Это Ленивая Земля; эффективность увеличивается, даже если неисправность становится более сложной».
Наконец геолог добавляет: «Мы увидели, что, когда разломы в конечном итоге соединяются, они не обязательно образуют совершенно прямой разлом. Это говорит мне о том, что неровности могут сохраняться вдоль зрелых разломов из-за материала. Это понимание того, как вы получаете постоянные неровности, которые мы видим в реальной земной коре. Геологи-структуры удивляются неровностям, потому что если разломы развиваются, чтобы минимизировать работу, то все разломы должны быть прямыми. Но теперь у нас есть доказательства того, что эти нарушения сохраняются. У нас есть разломы неправильной формы, действующие миллионы лет».