Инженеры из Университета Дьюка разработали модель, которая может предсказать раннее механическое поведение и происхождение землетрясения в различных типах горных пород. Модель дает новое представление о ненаблюдаемых явлениях, которые происходят в милях под поверхностью Земли при невероятных давлениях и температурах, и может помочь исследователям лучше предсказывать землетрясения или даже, по крайней мере теоретически, пытаться их остановить.
Результаты опубликованы 17 января в журнале Nature Communications.
"Землетрясения возникают вдоль линий разломов глубоко под землей, где экстремальные условия могут вызвать химические реакции и фазовые переходы, которые влияют на трение между камнями, когда они движутся друг относительно друга", - сказал Хадриен Раттез, научный сотрудник в области гражданского и экологического строительства в герцог. «Наша модель - первая, которая может точно воспроизвести уменьшение силы трения по мере увеличения скорости проскальзывания горной породы, и все эти механические явления высвобождаются».
В течение трех десятилетий исследователи строили машины для имитации условий разлома, толкая и скручивая два каменных диска друг против друга. Эти эксперименты могут достигать давления до 1450 фунтов на квадратный дюйм и скорости одного метра в секунду, что является самой быстрой скоростью, на которой могут двигаться подземные породы. Для геологической точки отсчета Тихоокеанская тектоническая плита движется примерно на 0.00000000073 метра в секунду.
«С точки зрения движения земли, эти скорости в один метр в секунду невероятно высоки», - сказал Манолис Вевеакис, доцент кафедры гражданского и экологического строительства Университета Герцога. «И помните, что трение является синонимом сопротивления. Так что, если сопротивление упадет до нуля, объект резко сдвинется. Это землетрясение».
В этих опытах поверхность камней либо начинает превращаться в своего рода гель, либо плавиться, снижая коэффициент трения между ними и облегчая их движение. Хорошо известно, что по мере того, как скорость этих камней относительно друг друга увеличивается до одного метра в секунду, трение между ними падает, как камень, можно сказать, независимо от его типа. Но до сих пор никто не создал модели, которая могла бы точно воспроизвести такое поведение.
В статье Раттез и Вевеакис описывают вычислительную модель, учитывающую энергетический баланс всех сложных механических процессов, происходящих во время движения разлома. Они включают в себя вызываемые теплом механизмы ослабления, общие для всех типов горных пород, такие как разложение минералов, смазывание наночастицами и плавление по мере фазового перехода породы.
После выполнения всех своих симуляций исследователи обнаружили, что их новая модель точно предсказывает падение трения, связанное со всем диапазоном скоростей разломов, из экспериментов со всеми доступными типами горных пород, включая галит, силикат и кварц.
Поскольку модель хорошо работает для столь многих различных типов горных пород, кажется, что это общая модель, которую можно применять в большинстве ситуаций, что может дать новую информацию о происхождении землетрясений. Хотя исследователи не могут полностью воссоздать условия разлома, подобные модели могут помочь им экстраполировать на более высокие давления и температуры, чтобы лучше понять, что происходит по мере того, как разлом приближается к землетрясению..
«Модель может придать физический смысл наблюдениям, которые мы обычно не можем понять», - сказал Раттез. «Он предоставляет много информации о задействованных физических механизмах, таких как энергия, необходимая для различных фазовых переходов».
«Мы до сих пор не можем предсказать землетрясения, но такие исследования - необходимые шаги, которые мы должны предпринять, чтобы добраться туда», - сказал Вевеакис. «И теоретически, если бы мы могли вмешаться в разлом, мы могли бы отследить его состав и вмешаться до того, как он станет нестабильным. Это то, что мы делаем с оползнями. иметь возможность бурения, чтобы пойти туда."